DE69328869T2 - GAS SEPARATION AT TEMPERATURES UNDER ROOM TEMPERATURE USING MEMBRANES MADE OF GLASS-LIKE POLYMERS - Google Patents

GAS SEPARATION AT TEMPERATURES UNDER ROOM TEMPERATURE USING MEMBRANES MADE OF GLASS-LIKE POLYMERS

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Gasgemischs, welches eine Membran mit einer Trennschicht bzw. einem Trennbereich eines glasartigen Polymers verwendet, die bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur betrieben wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung für ein derartiges Verfahren.The invention relates to a method for separating a gas mixture, which uses a membrane with a separation layer or a separation region of a glassy polymer, which is operated at temperatures below the ambient temperature. The present invention further relates to a device for such a method.

Die Verwendung von Membranen zum Trennen verschiedener Komponenten von Gasgemischen ist bekannt. Membrane wurden verwendet, um eine Trennung, Entfernung, Reinigung bzw. teilweise Gewinnung einer Vielzahl von Gasen, einschließlich Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ammoniak, Wasserdampf, Methan und anderer leichter Kohlenwasserstoffe, durchzuführen.The use of membranes to separate different components of gas mixtures is well known. Membranes have been used to separate, remove, purify or partially recover a variety of gases, including hydrogen, helium, oxygen, nitrogen, argon, carbon monoxide, carbon dioxide, ammonia, water vapor, methane and other light hydrocarbons.

Membrantrennungen basieren auf der relativen Permeabilität von zwei bzw. mehr Komponentengasen durch die Membran. Um ein Gasgemisch in zwei Abschnitte zu trennen, einen bezüglich mindestens eines Komponentengases reicheren und ärmeren Abschnitt, wird das Gasgemisch in Kontakt mit einer Seite der Membran gebracht, durch welche mindestens eines der Komponentengase selektiv permeiert. Ein Komponentengas, welches selektiv durch die Membran permeiert, durchdringt die Membran schneller als mindestens ein anderes Komponentengas des Gasgemischs. Das Gasgemisch erfährt dadurch eine Teilung in einen Strom, welcher hinsichtlich des selektiv permeierenden Komponentengases bzw. der Komponentengase angereichert ist, und einen Strom, welcher hinsichtlich des selektiv permeierenden Komponentengases bzw. der Komponentengase abgereichert ist. Ein verhältnismäßig nicht-permeierendes Komponentengas durchdringt die Membran in geringerem Umfang als mindestens ein anderes Komponentengas des Gasgemischs. Ein geeignetes Membran material wird derart gewählt, daß ein gewisser Trennungsgrad des Gasgemischs erreicht werden kann.Membrane separations are based on the relative permeability of two or more component gases through the membrane. In order to separate a gas mixture into two sections, a section richer and poorer in at least one component gas, the gas mixture is brought into contact with a side of the membrane through which at least one of the component gases selectively permeates. A component gas that selectively permeates through the membrane penetrates the membrane more quickly than at least one other component gas of the gas mixture. The gas mixture is thereby divided into a stream that is enriched in the selectively permeating component gas(es) and a stream that is depleted in the selectively permeating component gas(es). A relatively non-permeating component gas penetrates the membrane to a lesser extent than at least one other component gas of the gas mixture. A suitable membrane material is chosen such that a certain degree of separation of the gas mixture can be achieved.

D. W. Brubaker et al., Industrial and Engineering Chemistry, Band 46, Seiten 1465-1473 (1953), offenbart eine Gaspermeation durch verschiedene Filme sowie Parameter, welche eine derartige Permeation beeinflussen. R. W. Roberts, Journal of Applied Polymer Science, Band 7, Nr. 6, Seiten 2183-2197 (1963), untersuchte die Wirkung von Temperatur auf eine Permeation durch eine Vielzahl von Polymerfilmen.D. W. Brubaker et al., Industrial and Engineering Chemistry, Volume 46, pages 1465-1473 (1953), discloses gas permeation through various films and parameters affecting such permeation. R. W. Roberts, Journal of Applied Polymer Science, Volume 7, No. 6, pages 2183-2197 (1963), investigated the effect of temperature on permeation through a variety of polymer films.

S. Srinivasan hielt auf der "Gordon Research Conference on Synthetic Membranes" am 10. Juli 1990 einen Vortrag mit dem Titel "An Extraordinary Polymeric Membrane That Rejects Licht Gases", in welchem er Permeabilitätsdaten bezüglich einer Polytrimethylsilylpropin-Membran bei Temperaturen bis -40ºC für Stickstoff- und Kohlendioxid vorlegte. Anomale Gasgemischwirkungen wurden beobachtet. Diese Wirkungen wurden erklärt, indem vorgeschlagen wurde, daß der Transport in diesem Material durch die Diffusion in Poren und auf den Oberflächen dieser Poren dominiert wurde, eher als der herkömmliche Lösungs- Diffusions-Mechanismus. Thorogood legte bei dem "International Gas Separation Meeting" in Austin, Texas, am 23 April 1991 Permeabilitätsdaten für Sauerstoff und Stickstoff bei niedrigen Temperaturen unter Verwendung eines glasartigen Films aus Polytrimethylsilylpropin modifizierter Dichte vor. Siehe ferner S. R. Auvil et al., Book of Abstracts, The Fourth Chemical Congress of North America, 25-30. August 1991, Punkt 119.S. Srinivasan presented a paper entitled "An Extraordinary Polymeric Membrane That Rejects Light Gases" at the Gordon Research Conference on Synthetic Membranes on July 10, 1990, in which he presented permeability data on a polytrimethylsilylpropyne membrane at temperatures down to -40ºC for nitrogen and carbon dioxide. Anomalous gas mixture effects were observed. These effects were explained by proposing that transport in this material was dominated by diffusion in pores and on the surfaces of these pores, rather than the conventional solution-diffusion mechanism. Thorogood presented permeability data for oxygen and nitrogen at low temperatures using a glassy film of density-modified polytrimethylsilylpropyne at the International Gas Separation Meeting in Austin, Texas on April 23, 1991. See also S. R. Auvil et al., Book of Abstracts, The Fourth Chemical Congress of North America, 25-30. August 1991, point 119.

D. J. Moll et al. offenbarte auf "The First Annual National Meeting of the North American Membrane Society" am 3.-5. Juni 1987 Permeabilitätsdaten für Helium, Argon und Xenon unter Verwendung von Filmen aus Tetramethyl Bisphenol A Polycarbonat über einen breiten Temperaturbereich.D. J. Moll et al., at "The First Annual National Meeting of the North American Membrane Society" on June 3-5, 1987, disclosed permeability data for helium, argon, and xenon using tetramethyl bisphenol A polycarbonate films over a wide temperature range.

D. J. Moll et al. offenbarte auf "The Gordon Research Conference an Reverse Osmosis, Ultrafiltration, and Gas Separation" am 31. Juli 1989 Permeabilitätsdaten für Wasserstoff und Deuterium unter Verwendung eines Films aus Bisphenol A Polycarbonat bei Temperaturen bis -125ºC.D. J. Moll et al., at "The Gordon Research Conference on Reverse Osmosis, Ultrafiltration, and Gas Separation" on July 31, 1989, disclosed permeability data for hydrogen and deuterium using a film of bisphenol A polycarbonate at temperatures down to -125ºC.

Allgemein sinkt die Gaspermeabilität bekannter Membranmaterialien mit sinkender Temperatur. Allgemein empfahl der Stand der Technik die Durchführung von Membrantrennungen bei derartigen Temperaturen, daß gute physikalische Eigenschaften der Membran beibehalten werden und eine Kondensation der zu trennenden gasförmigen Komponenten vermieden wird. Typischerweise wird die Temperatur so hoch wie möglich ohne schädliche Wirkungen auf die physische Integrität bzw. Leistung der Membran gehalten, da höhere Temperaturen generell die Gaspermeationsrate durch die Membran erhöhen. Temperaturen in dem Bereich von 20ºC bis 40ºC werden generell bei Trennungen des Standes der Technik angewandt. Für Trennungen vieler Gasgemische unter Verwendung von Membranen werden geeigneterweise Bedingungen nahe Umgebungstemperatur verwendet.In general, the gas permeability of known membrane materials decreases with decreasing temperature. In general, the prior art recommended that membrane separations be carried out at temperatures that maintain good physical properties of the membrane and avoid condensation of the gaseous components to be separated. Typically, the temperature is kept as high as possible without deleterious effects on the physical integrity or performance of the membrane, since higher temperatures generally increase the rate of gas permeation through the membrane. Temperatures in the range of 20ºC to 40ºC are generally used in prior art separations. For separations of many gas mixtures using membranes, conditions near ambient temperature are suitably used.

Bei Trennungen spezifischer Prozesse von bestimmten Gasgemischen wurden gelegentlich Temperaturen von weniger als null Grad Celsius verwendet. U.S.-Patent 4 793 829 beschreibt die selektive Permeation von Ammoniak durch eine Polysulfonamidmembran bei einer Temperatur in dem Bereich von null Grad Celsius bis -20ºC. Das Kanadische Patent 1 188 630 beschreibt die Trennung von Kohlendioxid von Methan und anderen leichten Kohlenwasserstoffen unter Verwendung einer Celluloseestermembran bei Temperaturen von weniger als 10ºC, vorzugsweise zwischen - 15ºC und 5ºC. Siehe ferner D. Parro, Energy Process, Band 6, Nr. 1, Seiten 51-54 (1985), D. Parro, Technology, Oil & Gas Journal, 24. September 1984, Seiten 85-88, und G. Cutler et al., Laurance Reid Gas Conditioning Conference, 4.-6. März 1985.In separations of specific processes from certain gas mixtures, temperatures of less than zero degrees Celsius have occasionally been used. US Patent 4,793,829 describes the selective permeation of ammonia through a polysulfonamide membrane at a temperature in the range of zero degrees Celsius to -20ºC. Canadian Patent 1,188,630 describes the separation of carbon dioxide from methane and other light hydrocarbons using a cellulose ester membrane at temperatures of less than 10ºC, preferably between -15ºC and 5ºC. See also D. Parro, Energy Process, Volume 6, No. 1, pages 51-54 (1985), D. Parro, Technology, Oil & Gas Journal, September 24, 1984, pages 85-88, and G. Cutler et al. al., Laurance Reid Gas Conditioning Conference, 4-6. March 1985.

Anand et al., U.S.-Patent 4 840 646, beschreibt die Permeation, Selektivität und Flußzahlen, welche bei 24ºC bei Polyesterkopolymeren erzielt wurden. Diese durch Anand offenbarten Polymere sind bei der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen. Fig. 7 zeigt hier graphisch die Polymere und Kopolymere, welche Anspruch 1 entsprechen. Dieser Graph wurde unter Verwendung von Permeationsselektivitäts- und Fluxdaten erstellt, welche bei 30ºC erhalten wurden.Anand et al., U.S. Patent 4,840,646, describes the permeation, selectivity and flux numbers obtained at 24°C for polyester copolymers. These polymers disclosed by Anand are excluded from the present invention. Figure 7 here graphically shows the polymers and copolymers that meet claim 1. This graph was prepared using permeation selectivity and flux data obtained at 30°C.

Es wird weiterhin bezüglich der Entwicklung neuer Membrane geforscht, welche hohe Trennfaktoren und hohe Permeationsraten für ausgewählte Komponentengase interessierender Gasgemische aufweisen. Jedoch wird die Verwendung von Temperaturen unterhalb 20ºC bei Membrantrennungen allgemein mit Ablehnung betrachtet. Temperaturen von null Grad Celsius werden allgemein lediglich bei einer begrenzten Anzahl spezifischer Gasgemische und spezieller Membrane als möglich angesehen.Research is continuing into the development of new membranes that have high separation factors and high permeation rates for selected component gases of gas mixtures of interest. However, the use of temperatures below 20ºC in membrane separations is generally viewed with disapproval. Temperatures of zero degrees Celsius are generally considered possible only for a limited number of specific gas mixtures and special membranes.

Generell kommt es zu einem Kompromiß zwischen Trennfaktor und Permeabilität, wenn Membrane zum Trennen von Komponenten von Gasgemischen verwendet werden. Membrane mit hohem Trennfaktor weisen generell eine niedrigere Permeabilität auf als Membrane mit niedrigerem Trennfaktor. Dieser Kompromiß ist bei der Trennung von Gemischen aus Sauerstoff und Stickstoff und Gemischen aus Kohlendioxid und Methan sehr feststehend.In general, there is a trade-off between separation factor and permeability when membranes are used to separate components of gas mixtures. Membranes with a high separation factor generally have a lower permeability than membranes with a lower separation factor. This trade-off is very clear when separating mixtures of oxygen and nitrogen and mixtures of carbon dioxide and methane.

Typischerweise fällt die Permeabilität von Gasen durch Membrane mit der Temperatur schnell ab. Der Trennfaktor erhöht sich generell mit sinkender Temperatur, die Änderungsrate des Trennfaktors mit der Temperatur hängt jedoch von den spezifi schen Eigenschaften der Membran und der Komponentengase des zu trennenden Gasgemisches ab.Typically, the permeability of gases through membranes decreases rapidly with temperature. The separation factor generally increases with decreasing temperature, but the rate of change of the separation factor with temperature depends on the specific chemical properties of the membrane and the component gases of the gas mixture to be separated.

Im Falle von Sauerstoff/Stickstoff-Trennungen beeinflussen sowohl die Löslichkeit in der als auch die Diffusionsfähigkeit der Gase durch die Membran die Trennleistung. Allgemein löst sich Sauerstoff in den meisten Polymeren zu einer Konzentration von 50 bis 100 Prozent mehr als die Konzentration von Stickstoff. Während die Löslichkeitskomponente der Selektivität bei der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff wichtig ist, ist die Diffusionsfähigkeitskomponente der Selektivität der Primärfaktor bei der Bestimmung der Gesamtselektivität.In the case of oxygen/nitrogen separations, both the solubility in and the diffusivity of the gases through the membrane affect the separation performance. In general, oxygen dissolves in most polymers to a concentration 50 to 100 percent higher than the concentration of nitrogen. While the solubility component of selectivity is important in the separation of oxygen and nitrogen, the diffusivity component of selectivity is the primary factor in determining overall selectivity.

Die Diffusionsfähigkeit ist abhängig von der Dimension, welche mit der Abstoßungskomponente der Interaktion zwischen Gasmolekülen und dem die Membran bildenden Material zusammenhängt. Dies hängt in vereinfachender Form von der Größe der durch das Material, wie einem Polymer, diffundierenden Moleküle ab. Kleinere Gasmoleküle können einfacher in eine Polymermatrix eintreten und durch diese diffundieren. Allgemein diffundieren Moleküle leichter durch ein Polymer mit einem stärker unbesetzten Volumen, das heißt, "freiem Volumen". Dementsprechend ist in einem Polymer mit verhältnismäßig starken freien Volumen die Diffusionsfähigkeit von Gasen allgemein höher als in einem Polymer mit geringerem freien Volumen. Jedoch erhöht diese offenere Struktur die Diffusionsfähigkeit beider Gase und führt zu einer geringeren Selektivität.The diffusivity depends on the dimension, which is related to the repulsive component of the interaction between gas molecules and the material forming the membrane. In simplified form, this depends on the size of the molecules diffusing through the material, such as a polymer. Smaller gas molecules can enter and diffuse through a polymer matrix more easily. In general, molecules diffuse more easily through a polymer with a larger unoccupied volume, i.e., "free volume". Accordingly, in a polymer with relatively large free volumes, the diffusivity of gases is generally higher than in a polymer with smaller free volume. However, this more open structure increases the diffusivity of both gases and leads to lower selectivity.

Obwohl ein unbesetztes Volumen in einem Polymer zur Bestimmung von Membrantrenneigenschaften wichtig ist, sind andere Faktoren zum Erzielen von Verbesserungen derartiger Eigenschaften sehr bedeutend. Die Dynamik der Bewegung der Polymerketten, die lokale Bewegung der wiederkehrenden Einheiten und die Schwingungen kleinerer Untereinheiten können eine ent scheidende Wirkung auf Trenneigenschaften haben. Diese Bewegungen verhindern, daß das Polymer einen optimalen Zwischenraum zwischen Untereinheiten des Polymers zur gewünschten Trennung aufrecht erhält. Allgemein verringern niedrigere Temperaturen die Frequenz und die Amplitude von Bewegungen der Polymermatrix.Although unoccupied volume in a polymer is important for determining membrane separation properties, other factors are very important for achieving improvements in such properties. The dynamics of the movement of the polymer chains, the local movement of the repeating units and the vibrations of smaller subunits can determine the have a detrimental effect on separation properties. These movements prevent the polymer from maintaining an optimal spacing between subunits of the polymer for the desired separation. In general, lower temperatures reduce the frequency and amplitude of movements of the polymer matrix.

Während niedrigere Temperaturen die Bewegung der Polymermatrix begrenzen könnten, wurden Temperaturen stark unterhalb 20ºC allgemein zur Membrantrennung von Gasen nicht verwendet. Das Widerstreben der Technik, Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zur Membrantrennung von Gasen in Betracht zu ziehen, ergibt sich infolge von Problemen, welche mit Phasenänderungen bei Komponenten des Gasgemisches, den höheren Betriebskosten, welche sich durch das Kühlen von Einspeisungsgasgemischen ergeben, und der verringerten Permeationsrate bei niedrigeren Temperaturen zusammenhängen.While lower temperatures may limit the movement of the polymer matrix, temperatures much below 20ºC have not generally been used for membrane separation of gases. The reluctance of the art to consider subambient temperatures for membrane separation of gases arises due to problems related to phase changes in gas mixture components, the higher operating costs resulting from cooling feed gas mixtures, and the reduced permeation rate at lower temperatures.

Ein Verfahren zum Trennen von Komponentengasen eines Gasgemisches, welches einen höheren Trennfaktor als normal erzielt, wurde erreicht, und eine annehmbare Permeabilität wird noch immer gesucht. Ein Betriebsverfahren, welches die Leistungsfähigkeit bestehender Membranmaterialien verbessert und die Leistungsfähigkeit neuer Membranmaterialien potentiell erhöht, ist wünschenswert.A method of separating component gases of a gas mixture which achieves a higher than normal separation factor has been achieved and acceptable permeability is still sought. A method of operation which improves the performance of existing membrane materials and potentially increases the performance of new membrane materials is desirable.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren des Trennens eines Permeatgasstroms und eines Nicht- Permeatgasstroms von einem Gasgemisch. Das Gasgemisch berührt eine erste Seite einer Gastrennmembran. Diese Gastrennmembran weist eine polymere Trennschicht bzw. einen polymeren Trennbereich auf, welche bzw. welcher bei der Trenntemperatur in ei nem glasartigen Zustand ist. Eine chemische Potentialdifferenz wir zwischen der ersten Seite der Membran und der zweiten Seite der Membran aufrecht erhalten, so daß mindestens ein erstes in dem Gasgemisch vorhandenes Komponentengas selektiv relativ zu mindestens einem zweiten in dem Gasgemisch vorhandenen Komponentengas durch die Membran von der ersten Seite zu der zweiten Seite der Membran permeiert, so daß der permeierende Gasstrom bei dem ersten Komponentengas angereichert wird. Der Kontakt zwischen dem Gasgemisch und der Membran tritt bei einer Temperatur an dem bzw. oberhalb des Gefrierpunkts jeder an der bzw. innerhalb der Membran vorhandenen Flüssigkeit auf. Somit wird, wenn reines Wasser vorhanden ist, die Betriebstemperatur aus dem Bereich zwischen 1ºC und 5ºC ausgewählt. Sind Salze vorhanden, so wird der Gefrierpunkt gesenkt, und die Permeationstemperatur liegt zwischen 1ºC und 5ºC oberhalb dieses gesenkten Gefrierpunkts. Die Membran wird derart gewählt, daß, wenn ein Gemisch aus 80 Mol-Prozent Stickstoff und 20 Mol-Prozent Sauerstoff als Einspeisung bei 30ºC mit einem Druck von 30 Psia auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 1 mm Hg auf der zweiten Seite der Membran verwendet wird, die Permeabilität von Sauerstoff in Barrers geringer als 2000 ist und die folgende Beziehung zur Selektivität für Sauerstoff im Verhältnis zu Stickstoff hat (im weiteren als Gleichung I bezeichnet):The invention relates to a method of separating a permeate gas stream and a non-permeate gas stream from a gas mixture. The gas mixture contacts a first side of a gas separation membrane. This gas separation membrane has a polymeric separation layer or a polymeric separation region which, at the separation temperature, a glassy state. A chemical potential difference is maintained between the first side of the membrane and the second side of the membrane such that at least a first component gas present in the gas mixture selectively permeates through the membrane from the first side to the second side of the membrane relative to at least a second component gas present in the gas mixture such that the permeating gas stream is enriched in the first component gas. Contact between the gas mixture and the membrane occurs at a temperature at or above the freezing point of any liquid present on or within the membrane. Thus, when pure water is present, the operating temperature is selected from the range between 1ºC and 5ºC. When salts are present, the freezing point is depressed and the permeation temperature is between 1ºC and 5ºC above this depressed freezing point. The membrane is chosen such that when a mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen is used as feed at 30°C with a pressure of 30 psia on the first side of the membrane and a vacuum of less than 1 mm Hg on the second side of the membrane, the permeability of oxygen in Barrers is less than 2000 and has the following relationship to the selectivity for oxygen relative to nitrogen (hereinafter referred to as Equation I):

Permeabilität > 2000/(Selektivität)7/2Permeability > 2000/(selectivity)7/2

Selektivität im Sinne der Formel I ist definiert als das Verhältnis der Permeabilität von Sauerstoff zu der Permeabilität von Stickstoff. Die erste Seite und die zweite Seite der Membran sind getrennt und stehen nicht in Verbindung, so daß es möglich ist, das Gas, welches nicht durch die Membran permeiert, das heißt, das zurückgewiesene bzw. nicht-permeierende Gas, und/oder das Gas, welches durch die Membran permeiert, das heißt, das permeierende Gas, zu gewinnen.Selectivity in the sense of formula I is defined as the ratio of the permeability of oxygen to the permeability of nitrogen. The first side and the second side of the membrane are separated and not connected, so that it is possible to separate the gas that does not permeate through the membrane, that is, the rejected or non-permeating Gas, and/or the gas which permeates through the membrane, i.e. the permeating gas.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Trennen von Komponentengasen in einem Gasgemisch geschaffen, umfassend:According to the invention, a method for separating component gases in a gas mixture is provided, comprising:

A/ Inkontaktbringen einer ersten Seite einer Gastrennmembran, wobei die Membran eine polymere Trennschicht oder einen polymeren Trennbereich, die/der in einem glasartigen Zustand unter den Bedingungen vorliegt, bei denen die Trennung durchgeführt wird, umfaßt, mit einem Gasgemisch, während eine Differenz im chemischen Potential von der ersten Seite der Membran zu einer zweiten Seite der Membran aufrecht erhalten wird, so daß wenigstens ein erstes Komponentengas des Gasgemisches selektiv zu wenigstens einem zweiten Komponentengas in dem Gasgemisch von der ersten Seite der Membran zu der zweiten Seite der Membran permeiert, wobei dieses Inkontaktbringen bei einer Temperatur von 5ºC oder darunter auftritt, mit der Maßgabe, daß die Permeation bei dem bzw. oberhalb des Gefrierpunktes irgendeiner vorhandenen Flüssigkeit auftritt, wobei die Membran so ausgewählt ist, daß bei Verwendung eines Gemisches aus 80 Mol-% Stickstoff und 20 Mol-% Sauerstoff als Einspeisung bei 30ºC mit einem Druck von 205,5 kPa (30 psia) auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 0,133 kPa (1 mm Hg) auf der zweiten Seite der Membran die Permeabilität von Sauerstoff in Barrers weniger als 2000 beträgt und die folgende Beziehung für Sauerstoff/Stickstoff- Selektivität hat:A/ Contacting a first side of a gas separation membrane, the membrane comprising a polymeric separation layer or region which is in a glassy state under the conditions in which the separation is carried out, with a gas mixture while maintaining a difference in chemical potential from the first side of the membrane to a second side of the membrane such that at least a first component gas of the gas mixture selectively permeates to at least a second component gas in the gas mixture from the first side of the membrane to the second side of the membrane, said contacting occurring at a temperature of 5°C or below, provided that the permeation occurs at or above the freezing point of any liquid present, the membrane being selected such that when using a mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen as the feed at 30°C at a pressure of 205.5 kPa (30 psia) on the first side of the membrane and a vacuum of less than 0.133 kPa (1 mm Hg) on the second side of the membrane, the permeability of oxygen in Barrers is less than 2000 and has the following relationship for oxygen/nitrogen selectivity:

Permeabilität > 2000/(Selektivität)7/2; undPermeability > 2000/(selectivity)7/2; and

B/ Gewinnen wenigstens eines des Permeatgases oder des zurückgewiesenen Nicht-Permeatgases, worin diese/dieser die Gastrennung bewerkstellende Schicht/Bereich eine glasartige polymere Zusammensetzung von Material ist, das eine sich wiederholende Einheit der Formel hat: B/ recovering at least one of the permeate gas or the rejected non-permeate gas, wherein it/this Gas separation-producing layer/region is a glassy polymeric composition of material having a repeating unit of the formula:

wobei U unabhängig aus Chlor oder Brom ausgewählt ist.where U is independently selected from chlorine or bromine.

Eine bestimmte neuartige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist ebenso ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.A certain novel apparatus for carrying out the method of the invention is also an embodiment of the invention.

Eine derartige Vorrichtung, welche die zuvor definierte Membran verwendet, bildet den Gegenstand der Ansprüche 41-56.Such a device using the previously defined membrane forms the subject matter of claims 41-56.

Es wird davon ausgegangen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine deutlich verbesserte Leistung im Vergleich zu Membrantrennungsverfahren bei Umgebungstemperatur erzielt. Hinsichtlich einer Lufttrennung zum Erzeugen von Stickstoff kann diese verbesserte Leistung charakterisiert werden durch eine deutlich höhere Gewinnung von Stickstoff, das heißt, die Erzeugung von Stickstoff als Fraktion der Einspeisungsluft, bei gleicher Produktreinheit, bzw. die Erzeu gung eines deutlich höheren Reinheitsprodukt bei gleicher Gewinnung. Alternativ kann es möglich sein, Stickstoff mit ähnlicher Reinheit und Gewinnung und deutlich höherer Produktivität zu erzeugen. Bei anderen Trennungen, wie der Trennung von Kohlendioxid und einem leichten Kohlenwasserstoff wie Methan, kann eine verbesserte Leistung ebenso durch eine höhere Gewinnung, eine höhere Produktivität und/oder eine höhere Reinheit gewünschter Produkte charakterisiert werden. Eine verbesserte Leistung kann ferner durch eine ähnliche Gewinnung und Reinheit eines Produkts bei kleinerem Oberflächenbereich einer Membran und/oder geringerem Leistungsverbrauch charakterisiert werden.It is believed that the process of the present invention achieves significantly improved performance compared to membrane separation processes at ambient temperature. With respect to air separation for the production of nitrogen, this improved performance can be characterized by a significantly higher recovery of nitrogen, that is, the production of nitrogen as a fraction of the feed air, at the same product purity, or the production of significantly higher purity product at the same recovery. Alternatively, it may be possible to produce nitrogen with similar purity and recovery and significantly higher productivity. In other separations, such as the separation of carbon dioxide and a light hydrocarbon such as methane, improved performance may also be characterized by higher recovery, higher productivity and/or higher purity of desired products. Improved performance may further be characterized by similar recovery and purity of product with smaller membrane surface area and/or lower power consumption.

Derzeit wird eine Kryogenlufttrennung für die Erzeugung von Stickstoff in großem Umfang als am ökonomischsten, eine Membrantrennung bei Umgebungsluft für die Erzeugung in kleinem Umfang als am ökonomischsten, und eine Druckwechseladsorption (PSA) für eine Erzeugung in mittlerem Umfang als am ökonomischsten angesehen. Diese unterschiedlichen Bereich ökonomischer Überlegenheit ergeben sich aus der variierenden Wichtigkeit von Kapital- und Betriebskosten für jedes herkömmliche Verfahren bei unterschiedlichen Graden der Erzeugung; Betriebskosten sind bei der Erzeugung in großem Umfang von größerer Wichtigkeit als für die Erzeugung in kleinem Maße, und der Kapitalaufwand ist bei der Erzeugung in kleinem Umfang von größerer Wichtigkeit als bei der Erzeugung in kleinerem Umfang. Eine Kyrogenlufttrennung erzeugt Stickstoff mit den geringsten Betriebskosten, jedoch sind die Kapitalkosten bei der Erzeugung in kleinem Umfang hoch. Eine Membrantrennung bei Umgebungstemperatur erzeugt Stickstoff zu den niedrigsten Kapitalkosten, jedoch sind die Betriebskosten für eine Erzeugung in großem Umfang hoch. Es wird davon ausgegangen, daß das Membranverfahren bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur der vorliegenden Erfindung niedrigere Betriebskosten im Vergleich zu einer Membrantrennung bei Umgebungsluft mit sich bringt. Die Kapitalkosten könnten infolge der zusätzlichen, zur Kühlung erforderlichen Ausrüstung höher sein. Jedoch ist es unter gewissen Umständen möglich, daß die verbesserte Effizienz, das heißt, die Selektivität und/oder Produktivität, des Membransystems eine deutliche Verringerung von Kapitalkosten hinsichtlich des Kompressors bzw. der Membran ermöglicht. Diese Verringerung kann das zusätzliche zur Kühlung erforderliche Kapital ausgleichen. Allgemein wird davon ausgegangen, daß das Verfahren der Erfindung bei einem Grad der Erzeugung ökonomischer ist, welcher höher ist als der Grad, bei welchem derzeit Membrantrennungen bei Umgebungstemperatur verwendet werden. Hinsichtlich einer Lufttrennung wird davon ausgegangen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung bezüglich PSA-Trennungen größeren Umfangs und Kryogentrennungen kleineren Umfangs wettbewerbsfähig ist. Es wird ferner davon ausgegangen, daß die Erfindung bezüglich anderer Trennungstypen wettbewerbsfähig ist, beispielsweise Trennungen, welche CO&sub2;, H&sub2;S, SOx bzw. andere Gase betreffen. Genauer wird davon ausgegangen, daß die vorliegende Erfindung mit einer Trenntechnologie konkurrieren kann, welche auf Aminkontaktorverfahren basieren, welche Monoethanolamin, Diethanolamin oder andere formulierte Amine verwenden. IN einigen Situationen kann es vorteilhaft sein, die vorliegende Erfindung mit Adsorptionsverfahren auf der Grundlage von Aminen bzw. anderen Chemikalien zum Bilden eines Hybridsystems zu kombinieren.Currently, cryogenic air separation is considered to be the most economical for large scale nitrogen production, ambient membrane separation is the most economical for small scale production, and pressure swing adsorption (PSA) is the most economical for medium scale production. These different areas of economic superiority arise from the varying importance of capital and operating costs for each conventional process at different levels of production; operating costs are more important for large scale production than for small scale production, and capital expenditure is more important for small scale production than for small scale production. Cryogenic air separation produces nitrogen at the lowest operating cost, but capital costs are high for small scale production. Ambient membrane separation produces nitrogen at the lowest capital cost, but operating costs are high for large scale production. The subambient temperature membrane process of the present invention is believed to have lower operating costs in compared to ambient air membrane separation. Capital costs could be higher due to the additional equipment required for cooling. However, under certain circumstances it is possible that the improved efficiency, i.e. selectivity and/or productivity, of the membrane system may enable a significant reduction in capital costs with respect to the compressor or membrane, respectively. This reduction may offset the additional capital required for cooling. In general, the process of the invention is expected to be more economical at a level of production which is higher than the level at which ambient temperature membrane separations are currently used. With respect to air separation, the process of the present invention is expected to be competitive with respect to larger scale PSA separations and smaller scale cryogenic separations. It is also expected that the invention is competitive with respect to other types of separations, for example separations involving CO₂, H₂S, SOx or other gases. More specifically, it is believed that the present invention can compete with separation technology based on amine contactor processes that use monoethanolamine, diethanolamine or other formulated amines. In some situations, it may be advantageous to combine the present invention with adsorption processes based on amines or other chemicals to form a hybrid system.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSHORT DESCRIPTION OF THE DRAWING

Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren des Gegenstand der Erfindung zu erzielen, welches eine Expansionsvorrichtung an dem Nicht-Permeatstrom anwendet.Fig. 1 shows in schematic form an apparatus suitable for achieving the process of the subject invention which applies an expansion device to the non-permeate stream.

Fig. 2 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren des Gegenstands der Erfindung zu erzielen, welche eine Expansionsvorrichtung an dem Permeatstrom anwendet.Fig. 2 shows in schematic form an apparatus suitable for achieving the process of the subject invention which applies an expansion device to the permeate stream.

Fig. 3 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren des Gegenstands der Erfindung zu erzielen, welches ein externes Freon-Kühlsystem zum Kühlen des Einspeisungs-Gasgemisches verwendet.Fig. 3 shows in schematic form an apparatus suitable for achieving the method of the subject invention which uses an external freon cooling system for cooling the feed gas mixture.

Fig. 4 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren des Gegenstands der Erfindung zu erzielen, welches ein externes Freon-Kühlsystem zum Kühlen sowie Membrane zum Trocknen des Einspeisungs- Gasgemisches verwendet.Fig. 4 shows in schematic form an apparatus suitable for achieving the process of the subject invention, which uses an external freon cooling system for cooling and membranes for drying the feed gas mixture.

Fig. 5 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren, welches Gegenstands der Erfindung ist, zu erzielen, welches einen durch eine Expansionsvorrichtung betriebenen Kompressor verwendet.Fig. 5 shows in schematic form a device suitable for achieving the method subject of the invention, which uses a compressor operated by an expansion device.

Fig. 6 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, zu erzielen, welches eine Vakuumpumpe an dem Permeatstrom verwendet.Fig. 6 shows in schematic form a device suitable for achieving the process object of the invention, which uses a vacuum pump on the permeate stream.

Fig. 7 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, zu erzielen, welches eine in Kaskade angeordnete Vorrichtung sowie einen Rückführungs-Strom verwendet.Fig. 7 shows in schematic form a device suitable for achieving the process object of the invention, which uses a cascaded device and a recycle stream.

Fig. 8 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung zu erzielen, welches eine Expansionsvorrichtung an dem Nicht-Permeatstrom anwendet.Fig. 8 shows in schematic form a device which is suitable for an alternative embodiment of the process of the invention which applies an expansion device to the non-permeate stream.

Fig. 9 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung zu erzielen, welches ein externes Freon-Kühlsystem zum Kühlen des Einspeisungs-Gasstroms verwendet.Figure 9 shows in schematic form an apparatus suitable for achieving an alternative embodiment of the method of the invention which uses an external Freon cooling system for cooling the feed gas stream.

Fig. 10 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung zum Erzielen eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches mit einer Joule-Thomson-Expansion von durch die Membran permeierendem Gas zum Kühlen arbeitet.Fig. 10 shows in schematic form an apparatus for achieving an alternative embodiment of the invention which uses a Joule-Thomson expansion of gas permeating through the membrane for cooling.

Fig. 11 zeigt ein illustratives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung in schematischer Form welche dazu geeignet ist, das Verfahren zu erzielen, welches Gegenstand der Erfindung ist.Fig. 11 shows an illustrative embodiment of a device in schematic form which is suitable for achieving the method which is the subject of the invention.

Fig. 12 zeigt einen Vergleich bei verschiedenen Temperaturen des Sauerstoff/Stickstoff-Trennfaktors und der Sauerstoffpermeabilität für zwei spezifische Membrane unter Verwendung von Luft als Einspeisungsgas. Die Membran 1 erläutert die Leistung einer Membran, welche für die Praxis des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Die Membran 2 ist ein Vergleich der Leistung einer Membran, welche die vorliegende Erfindung nicht erläutert.Figure 12 shows a comparison at different temperatures of the oxygen/nitrogen separation factor and oxygen permeability for two specific membranes using air as the feed gas. Membrane 1 illustrates the performance of a membrane suitable for the practice of the process of the present invention. Membrane 2 is a comparison of the performance of a membrane not illustrative of the present invention.

Fig. 13 zeigt bestimmte polymere Membranmaterialien, welche die Trenneigenschaften aus Gleichung I aufweisen (mit 1 bis 6 und 10 bezeichnete Materialien), sowie andere polymere Membranmaterialien, welche diese Kriterien nicht erfüllten (mit 7 bis 9 bezeichnete Materialien).Figure 13 shows certain polymeric membrane materials that meet the separation properties of Equation I (materials labeled 1 through 6 and 10) and other polymeric membrane materials that did not meet these criteria (materials labeled 7 through 9).

Fig. 14 zeigt in schematischer Form eine alternative Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, das Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, zu erzielen, wenn ein Hochdruckpermeat gewünscht ist.Fig. 14 shows in schematic form an alternative apparatus suitable for achieving the process which is the subject of the invention when a high pressure permeate is desired.

Fig. 15 zeigt in schematischer Form eine alternative Vorrichtung zum Erzeugen eines Hochdruckpermeats höherer Reinheit.Fig. 15 shows in schematic form an alternative device for producing a high-pressure permeate of higher purity.

Fig. 16 zeigt in schematischer Form eine alternative Vorrichtung zum Erzeugen eines Hochdruck-Nicht-Permeatstroms, bei welchem eine Kühlung durch eine externe Kühleinrichtung erfolgt.Fig. 16 shows in schematic form an alternative device for generating a high-pressure non-permeate stream, in which cooling is carried out by an external cooling device.

Der Einfachheit halber sind keine Vorgänge zur Vorbehandlung des Einspeisungsgasgemisches, wie Trocknen bzw. Filtern, in Fig. 8, 9, 10, 14, 15 oder 16 gezeigt. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Einspeisungsgasgemisch vor einer Berührung der Membrane vorteilhafterweise getrocknet, so daß Wasser nicht in einer bedeutenden Menge vorhanden ist, welches andernfalls kondensieren und bei der Betriebstemperatur der Membrantrennung gefrieren kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden andere kondensierbare Fluids ebenso vorteilhafterweise von dem Einspeisungsgasgemisch vor einer Berührung der Membrane entfernt. Teilchen, Öl und andere Verunreinigungen, welche die physische Unversehrtheit bzw. die Leistung der Membran bzw. anderer Systemkomponenten schädlich beeinflussen könnten, werden ebenso vorteilhafterweise durch eine herkömmliche Einrichtung entfernt.For simplicity, no operations for pretreating the feed gas mixture, such as drying or filtering, are shown in Figures 8, 9, 10, 14, 15 or 16. In some embodiments, the feed gas mixture is advantageously dried prior to contacting the membrane so that water is not present in a significant amount, which may otherwise condense and freeze at the operating temperature of the membrane separation. In some embodiments, other condensable fluids are also advantageously removed from the feed gas mixture prior to contacting the membrane. Particles, oil and other contaminants that could adversely affect the physical integrity or performance of the membrane or other system components are also advantageously removed by conventional means.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Laut Definition in der vorliegenden Beschreibung:As defined in this description:

Die "Temperatur" der Permeation ist kritisch und kann an dem bzw. leicht oberhalb des Gefrierpunkts jeglicher an bzw. innerhalb der Membran vorhandenen Flüssigkeit liegen. Das Schlüsselmerkmal besteht darin, daß Flüssigkeit, wie Wasser, nicht an bzw. innerhalb der Membran gefriert bzw. kristallisiert und somit die Permeationsmerkmale davon nicht beeinträchtigt oder zerstört. Das heißt, wenn Salzwasser (beispielsweise Meerwasser) vorhanden ist, so wird der Gefrierpunkt der Flüssigkeit gesenkt und liegt unterhalb 0ºC, beispielsweise um -1, -2, -3, -4, -5ºC oder mehr unterhalb des Gefrierpunkts. Vorzugsweise findet die Permeation bei 2ºC höher als der Gefrierpunkt der vorhandenen Flüssigkeit statt, noch bevorzugter um 1ºC höher als der Gefrierpunkt irgendeiner vorhandenen Flüssigkeit.The "temperature" of permeation is critical and can be at or slightly above the freezing point of any liquid present on or within the membrane. The key feature is that liquid, such as water, does not freeze or crystallize on or within the membrane and thus does not affect or destroy the permeation characteristics thereof. That is, if salt water (e.g. sea water) is present, the freezing point of the liquid is lowered to below 0ºC, for example -1, -2, -3, -4, -5ºC or more below the freezing point. Preferably, permeation takes place at 2ºC higher than the freezing point of the liquid present, more preferably 1ºC higher than the freezing point of any liquid present.

Es wurde nun festgestellt, daß bestimmte Membrane, welche Trennschichten bzw. Trennbereiche umfassen und aus glasartigen Polymeren hergestellt sind, drastische Verbesserungen hinsichtlich der Trennfaktoren für spezifische Gaspaare bei sinkenden Temperaturen aufweisen. Gleichzeitig kommt es zu einem verhältnismäßig geringen Verlust von Gaspermeabilität mit sinkender Temperatur. Um die Vorteile dieses Verfahrens zu erzielen, müssen sowohl die Trennschicht und der Trennbereich der Membran als auch die zu trennenden Komponentengase bestimmte Kriterien erfüllten, welche nachfolgend dargelegt werden.It has now been found that certain membranes comprising separation layers or separation regions and made from glassy polymers exhibit dramatic improvements in the separation factors for specific gas pairs at decreasing temperatures. At the same time, there is a relatively small loss of gas permeability with decreasing temperature. In order to achieve the advantages of this process, both the separation layer and the separation region of the membrane as well as the component gases to be separated must meet certain criteria, which are set out below.

Es wurde herausgefunden, daß durch die Auswahl einer geeigneten Membran und eines geeigneten Gasgemisches Membrantrennungen bei verringertem Temperaturaufwand die Trennleistung verbesserten. Allgemein führt bei bevorzugten Membranen und Gaspaaren ein Betrieb bei Temperaturen von vorzugsweise - 5ºC oder weniger, noch bevorzugter von etwa -25ºC oder weniger, zu einer Leistung, welche im allgemeinen höher ist als bei Membranen bekannter Polymere, welche bei Umgebungstempera tur betrieben werden. Diese verbesserte Membranleistung zeigt sich herkömmlicherweise anhand einer höheren Selektivität bei vergleichbarer bzw. leicht verringerter Gaspermeabilität für das stärker permeierbare Gas eines Gasgemischs im Vergleich zu der Membran bei Umgebungstemperatur, das heißt, 20ºC bis 40ºC. Dies kann ferner die vorteilhafte Verwendung von Membranen ermöglichen, welche zuvor derart eingestuft wurden, daß diese geringere Trenneigenschaften bei Umgebungstemperatur aufweisen.It has been found that by selecting a suitable membrane and gas mixture, membrane separations at reduced temperature have improved separation performance. In general, preferred membranes and gas pairs operate at temperatures of preferably -5ºC or less, more preferably about -25ºC or less, resulting in performance that is generally higher than membranes of known polymers operated at ambient temperatures. This improved membrane performance is typically demonstrated by higher selectivity at comparable or slightly reduced gas permeability for the more permeable gas of a gas mixture compared to the membrane at ambient temperature, i.e., 20ºC to 40ºC. This may also allow the advantageous use of membranes previously classified as having lower separation properties at ambient temperature.

Die Membran umfaßt eine Trennschicht bzw. einen Trennbereich, welche bzw. welcher sich unter den Bedingungen, unter welchen die Trennung durchgeführt wird, in einem glasartigen Zustand befindet. Glasartige Polymere, welche hierin verwendet werden, gehören zu einer Klasse von Materialien, welche in der Technik wohl bekannt sind, welche entweder nicht kristalline bzw. teilweise kristalline Polymere sind, welche einen Einfrierbereich oberhalb der Temperatur aufweisen, bei welcher die Membran verwendet wird. Bei dieser Erfindung verwendete Polymere müssen einen Einfrierbereich (Tg) aufweisen, welcher mindestens 1ºC, vorzugsweise mindestens 10ºC oberhalb der Betriebstemperatur liegt, bei welcher die Membran verwendet wird. Bei der vorliegenden Erfindung verwendbare Polymere weisen noch bevorzugter einen Einfrierbereich von mindestens etwa 100ºC, noch bevorzugter von mindestens etwa 150ºC auf.The membrane includes a separation layer or region which is in a glassy state under the conditions under which the separation is conducted. Glassy polymers used herein belong to a class of materials well known in the art which are either non-crystalline or partially crystalline polymers which have a glass transition temperature above the temperature at which the membrane is used. Polymers used in this invention must have a glass transition temperature (Tg) which is at least 1°C, preferably at least 10°C above the operating temperature at which the membrane is used. Polymers useful in the present invention more preferably have a glass transition temperature of at least about 100°C, even more preferably at least about 150°C.

Besonders bevorzugte Membrane zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung weisen einen erhöhten Trennfaktor für Sauerstoff/Stickstoff bei einer Temperatur von 5ºC oder weniger für Sauerstoff, das heißt, dem stärker permeierfähigen Gas, im Verhältnis zu Stickstoff von mindestens etwa 25 Prozent auf, noch bevorzugter von mindestens etwa 50 Prozent, relativ zu dem Trennfaktor bei 30ºC. Bei der Temperatur, bei welcher der Trennfaktor für Sauerstoff/Stickstoff um 25 Prozent im Ver gleich zu dem Trennfaktor für Sauerstoff/Stickstoff bei 30ºC anstieg, verringerte sich die Permeabilität von Sauerstoff um vorzugsweise nicht mehr als etwa 50 Prozent, noch bevorzugter nicht mehr als etwa 40 Prozent, bezüglich der Permeabilität bei 30ºC.Particularly preferred membranes for use in the present invention have an increased oxygen/nitrogen separation factor at a temperature of 5°C or less for oxygen, i.e., the more permeable gas, relative to nitrogen of at least about 25 percent, more preferably at least about 50 percent, relative to the separation factor at 30°C. At the temperature at which the oxygen/nitrogen separation factor is increased by 25 percent relative to equal to the separation factor for oxygen/nitrogen at 30ºC, the permeability of oxygen decreased preferably by no more than about 50 percent, more preferably no more than about 40 percent, relative to the permeability at 30ºC.

Ein Kriterium für die Auswahl eines glasartiger Polymers, welches für die Trennschicht bzw. den Trennbereich einer Membran geeignet ist, besteht in der Bestimmung der Änderung des Trennfaktors bzw. der Selektivität, α, bezüglich der Temperatur, das heißt, (dα/dT), und in dem Vergleich davon mit der Änderung der Gaspermeabilität des permeierfähigeren Komponentengases, P, bezüglich des Trennfaktors. Eine verwendbare Formel zur Vergleich einer Membranleistung (weiterhin als Gleichung II bezeichnet), lautet folgendermaßen:One criterion for selecting a glassy polymer suitable for the separation layer or region of a membrane is to determine the change in the separation factor or selectivity, α, with respect to temperature, i.e., (dα/dT), and to compare this with the change in the gas permeability of the more permeable component gas, P, with respect to the separation factor. A useful formula for comparing membrane performance (hereinafter referred to as Equation II) is as follows:

Permselektivitätsindex = ln(P) * (dα/dT)dln(P)/dαPermselectivity index = ln(P) * (dα/dT)dln(P)/dα

Die Werte und Ableitungen der Gaspermeabilität und des Trennfaktors in der Gleichung II sind bei 30ºC berechnet. Bezüglich einer Sauerstoff/Stickstoff-Trennung weisen die Membrane, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, einen Permselektivitätsindex von vorzugsweise mindestens etwa 0,25, noch bevorzugter mindestens etwa 0,35, noch bevorzugter mindestens etwa 0,40 auf. Membrane, welche die durch Gleichung I erforderlichen Eigenschaften aufweisen, weisen allgemein einen erwünschten Permselektivitätsindex auf.The values and derivatives of gas permeability and separation factor in Equation II are calculated at 30°C. With respect to oxygen/nitrogen separation, the membranes useful in the present invention have a permselectivity index of preferably at least about 0.25, more preferably at least about 0.35, even more preferably at least about 0.40. Membranes having the properties required by Equation I generally have a desirable permselectivity index.

Weitere Sätze bevorzugter Membrane zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung können durch die Gütezahl definiert werden. Die Gütezahl, definiert für ein spezielles Gaspaar, berücksichtigt die Wirkung einer Vielzahl von Faktoren, wie die Permeabilität des stärker permeierfähigen Gases, die Ände rungsrate der Permeabilität bezüglich der Änderungsrate der Selektivität, und die Änderungsrate der Selektivität bezüglich der Änderungsrate der Temperatur, auf die Leistung der Membran. Die Gütezahl für eine Sauerstoff/Sticktoff-Trennung wird durch die Gleichung III berechnet. Further sets of preferred membranes for use in the present invention can be defined by the figure of merit. The figure of merit, defined for a particular gas pair, takes into account the effect of a variety of factors, such as the permeability of the more permeable gas, the change The effect of the rate of change of permeability with respect to the rate of change of selectivity, and the rate of change of selectivity with respect to the rate of change of temperature, on the performance of the membrane. The figure of merit for an oxygen/nitrogen separation is calculated by equation III.

wobei PO2 die Permeabilität von Sauerstoff und αO&sub2;/N&sub2; die Selektivität von Sauerstoff/Stickstoff bezeichnet. Die Werte und Ableitungen werden bei 30ºC berechnet. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren glasartigen Polymere weisen eine Gütezahl für eine Sauerstoff/Stickstoff-Trennung für daraus hergestellte Membrane von mindestens etwa 1,0, noch bevorzugter von mindestens etwa 3,0 auf.where PO2 is the permeability of oxygen and αO2/N2 is the selectivity of oxygen/nitrogen. The values and derivatives are calculated at 30°C. The glassy polymers useful in the present invention have a figure of merit for oxygen/nitrogen separation for membranes made therefrom of at least about 1.0, more preferably at least about 3.0.

Die Gütezahl für eine Kohlendioxid/Methan-Trennung wird durch die Gleichung IV berechnet: The figure of merit for a carbon dioxide/methane separation is calculated by equation IV:

wobei PCO&sub2; die Permeabilität von Kohlendioxid und αCO&sub2;/CH&sub4; die Permeabilität von Kohlendioxid/Methan bezeichnet. Die Werte und Ableitungen sind bei 30ºC berechnet. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren glasartigen Polymere weisen eine Gütezahl für eine Kohlendioxid/Methan-Trennung für daraus hergestellte Membrane von vorzugsweise mindestens 20, noch bevorzugter mindestens etwa 25 auf.where PCO₂ is the permeability of carbon dioxide and αCO₂/CH₄ is the permeability of carbon dioxide/methane. The values and derivatives are calculated at 30°C. The glassy polymers useful in the present invention have a figure of merit for carbon dioxide/methane separation for membranes made therefrom of preferably at least 20, more preferably at least about 25.

Die Gütezahl für eine Helium/Methan-Trennung wird durch die Gleichung V berechnet: The figure of merit for a helium/methane separation is calculated by the equation V:

wobei PHe die Permeabilität von Helium und αHe/CH&sub4; die Selektivität von Helium/Methan bezeichnet. Die Werte und Ableitungen sind bei 30ºC berechnet. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren glasartigen Polymere weisen eine Gütezahl für eine Helium/Methan-Trennung für daraus hergestellte Membrane von vorzugsweise mindestens etwa 5, noch bevorzugter von mindestens etwa 15 auf.where PHe is the permeability of helium and αHe/CH4 is the selectivity of helium/methane. The values and derivatives are calculated at 30°C. The glassy polymers useful in the present invention have a figure of merit for helium/methane separation for membranes made therefrom of preferably at least about 5, more preferably at least about 15.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Membrane weisen vorzugsweise bei einer Temperatur von 5ºC oder weniger eine Selektivität für Sauerstoff/Stickstoff von mindestens etwa 10, noch bevorzugter von mindestens etwa 12, und vorzugsweise eine Permeabilität von Sauerstoff von mindestens etwa 1 Barrer auf, gemessen unter Verwendung eines Gemisches aus 80 Mol-Prozent Stickstoff und 20 Mol-Prozent Sauerstoff als eine Einspeisung mit einem Druck von 30 psia auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 1 mm Hg auf der zweiten Seite der Membran.The membranes useful in the present invention preferably have an oxygen/nitrogen selectivity of at least about 10, more preferably at least about 12, and preferably an oxygen permeability of at least about 1 Barrer at a temperature of 5°C or less, as measured using a mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen as a feed at a pressure of 30 psia on the first side of the membrane and a vacuum of less than 1 mm Hg on the second side of the membrane.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Membrane weisen bei einer Temperatur von 5ºC oder weniger vorzugsweise eine Selektivität für Kohlendioxid/Methan von mindestens etwa 40, noch bevorzugter von mindestens etwa 80, und vorzugsweise eine Permeabilität von Kohlendioxid von mindestens etwa 10 Barrers auf, gemessen unter Verwendung eines Gemisches aus 5 Mol-Prozent Kohlendioxid und 95 Mol-Prozent Methan als Einspeisung mit einem Druck von 30 psia auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 1 mm Hg auf der zweiten Seite der Membran.The membranes useful in the present invention preferably have a carbon dioxide/methane selectivity of at least about 40, more preferably at least about 80, and preferably a carbon dioxide permeability of at least about 10 Barrers at a temperature of 5°C or less, as measured using a mixture of 5 Mole percent carbon dioxide and 95 mole percent methane as feed with a pressure of 30 psia on the first side of the membrane and a vacuum of less than 1 mm Hg on the second side of the membrane.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Membrane weisen bei einer Temperatur von 5ºC oder weniger vorzugsweise eine Selektivität für Helium/Methan von mindestens etwa 70, noch bevorzugter von mindestens etwa 100, und vorzugsweise eine Permeabilität von Helium von mindestens etwa 10 Barrers auf, gemessen unter Verwendung eines Gemisches aus 5 Mol- Prozent Helium und 95 Mol-Prozent Methan als Einspeisung mit einem Druck von 205,5 kPa (30 psia) auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 0,133 kPa (1 mm Hg) auf der zweiten Seite der Membran.The membranes useful in the present invention preferably have a helium/methane selectivity of at least about 70, more preferably at least about 100, and preferably a helium permeability of at least about 10 Barrers at a temperature of 5°C or less, as measured using a mixture of 5 mole percent helium and 95 mole percent methane as the feed with a pressure of 205.5 kPa (30 psia) on the first side of the membrane and a vacuum of less than 0.133 kPa (1 mm Hg) on the second side of the membrane.

Auf den folgenden Seiten werden mehrere glasartige Polymere beschrieben. Jedoch sei betont, daß lediglich glasartige polymere Zusammensetzungen, welche in dem unteren Abschnitt von Seite 6a und in den beigefügten Ansprüchen definiert werden, Teil der vorliegenden Erfindung sind.Several glassy polymers are described on the following pages. However, it should be emphasized that only glassy polymer compositions defined in the lower section of page 6a and in the appended claims are part of the present invention.

Bei den hier verwendeten glasartigen Polymeren handelst es sich vorzugsweise um solche, welche bezüglich eines interessierenden Gasgemisches starke Zunahmen hinsichtlich eines Trennfaktors bei mäßiger Abnahme hinsichtlich einer Gaspermeabilität des stärker permeierfähigen Komponentengases aufweisen. Erläuternde glasartige Polymere umfassen bestimmte Polyphenylenoxide, bestimmte Polyimide, bestimmte Polycarbonate, bestimmte Polyamide, bestimmte Polyether, bestimmte Polyestercarbonate, bestimmte Polyarylate, bestimmte Polyester, bestimmte Polyacetylene, bestimmte Polytriazole, bestimmte Polyoxadiazole, bestimmte Polyolefine, bestimmte Polysulfone, bestimmte Polyethersulfone, bestimmte Polyamideimide, bestimm te Polyvinylsilane und bestimmte Polydenzoazole, wie Polybenzoazole, Polybenzothiazole, Polybenzoimidazole, Polybenzobisoxazole, Polybenzobisthiazole und Polybenzobisimidazole, und Copolymere und physikalische Mischungen davon. Zur Sauerstoff/Stickstoff-Trennung umfassen bevorzugte glasartige Polymere bestimmte Polycarbonate, bestimmte Polyestercarbonate, bestimmte Polyarylate, bestimmte Polyimide, bestimmte Polyester, bestimmte Polyether, bestimmte Polyphenylenoxide, bestimmte Polytriazole, bestimmte Polyoxadiazole, bestimmte Polyolefine, bestimmte Polysulfone, bestimmte Polyethersulfone, bestimmte Polybenzoazole, und Copolymere sowie physikalische Mischungen davon. Für eine Trennung von Kohlendioxid und leichtem Kohlenwasserstoff umfassen bevorzugte glasartige Polymere bestimmte Polybenzoazole, bestimmte Polycarbonate, bestimmte Polyester, bestimmte Polyestercarbonate, bestimmte Polysulfone, bestimmte Polyestersulfone, bestimmte Polyimide und Kopolymere sowie physikalische Mischungen davon. Allgemein weisen die am meisten bevorzugten organischen Polymere, welche bei dieser Erfindung verwendbar sind, allgemein eine starre Struktur auf, wie ein Polybenzoazole oder ein Polymer bestehend aus Teilen aus 9,9-bis(3,5-Dibrom-4- Hydroxyphenyl)Fluoren, 9,9-bis(3,5-Dichlor-4- Hydroxyphenyl)Fluoren, Hexafluor Bisphenol A, Tetrahalohexafluor Bisphenol A bzw. Tetraalkylhexafluor Bisphenol A, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, Polyether, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyarylat, Polyester, Polyestercarbonat, Polycarbonat und Kopolymere sowie physikalische Mischungen davon. Das hierin verwendete Hexafluor Bisphenol A bezieht sich auf Bisphenol A, bei welchem sämtliche Wasserstoffe der Isopropyliden-Brückengruppe durch Fluorteile ersetzt wurden. Tetrahalogen bzw. Tetraalkyl, wie hier bezüglich Bisphenol A verwendet, bezieht sich aus Bisphenol A, bei welchem 4 der Wasserstoffe der aromatischen Ringe durch Halogen- bzw. Alkyl-Teile ersetzt wurden. Bestimmte anorganische Poly mere sollten ebenso verwendbar sein. Beispielsweise können Kohlenstoffmembrane, Aluminiummembrane und silikonhaltige bzw. weitere keramische Membrane die gewünschten Eigenschaften aufweisen.The glassy polymers used herein are preferably those which, with respect to a gas mixture of interest, exhibit large increases in a separation factor with moderate decreases in a gas permeability of the more permeable component gas. Illustrative glassy polymers include certain polyphenylene oxides, certain polyimides, certain polycarbonates, certain polyamides, certain polyethers, certain polyester carbonates, certain polyarylates, certain polyesters, certain polyacetylenes, certain polytriazoles, certain polyoxadiazoles, certain polyolefins, certain polysulfones, certain polyether sulfones, certain polyamide imides, certain te polyvinylsilanes and certain polydenzoazoles such as polybenzoazoles, polybenzothiazoles, polybenzoimidazoles, polybenzobisoxazoles, polybenzobisthiazoles and polybenzobisimidazoles, and copolymers and physical mixtures thereof. For oxygen/nitrogen separation, preferred glassy polymers include certain polycarbonates, certain polyestercarbonates, certain polyarylates, certain polyimides, certain polyesters, certain polyethers, certain polyphenylene oxides, certain polytriazoles, certain polyoxadiazoles, certain polyolefins, certain polysulfones, certain polyethersulfones, certain polybenzoazoles, and copolymers and physical mixtures thereof. For carbon dioxide and light hydrocarbon separation, preferred glassy polymers include certain polybenzoazoles, certain polycarbonates, certain polyesters, certain polyestercarbonates, certain polysulfones, certain polyestersulfones, certain polyimides and copolymers and physical mixtures thereof. In general, the most preferred organic polymers useful in this invention generally have a rigid structure, such as a polybenzoazole or a polymer consisting of moieties of 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene, 9,9-bis(3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl)fluorene, hexafluorobisphenol A, tetrahalohexafluorobisphenol A or tetraalkylhexafluorobisphenol A selected from the group consisting of polyimide, polyether, polysulfone, polyethersulfone, polyarylate, polyester, polyester carbonate, polycarbonate and copolymers and physical mixtures thereof. Hexafluorobisphenol A as used herein refers to bisphenol A in which all of the hydrogens of the isopropylidene bridging group have been replaced by fluorine moieties. Tetrahalo or tetraalkyl as used herein with respect to bisphenol A refers to bisphenol A in which four of the hydrogens of the aromatic rings have been replaced by halogen or alkyl moieties, respectively. Certain inorganic poly mers should also be usable. For example, carbon membranes, aluminum membranes and silicone-containing or other ceramic membranes can have the desired properties.

Weitere glasartige Polymere umfassen substituierte Polycarbonate, wie Tetrachlorhexafluor Bisphenol A Polycarbonat (TCHF BA PC) bzw. Tetrabrom-Hexafluor Bisphenol A Polycarbonat (TBHF BA PC), welche eine wiederkehrende Einheit der folgenden Formel aufweisen. Other glassy polymers include substituted polycarbonates such as tetrachlorohexafluoro bisphenol A polycarbonate (TCHF BA PC) or tetrabromo-hexafluoro bisphenol A polycarbonate (TBHF BA PC), which have a repeating unit of the following formula.

wobei X entweder Cl oder Br ist. Das Polycarbonat kann ein Copolymer sein, welches Bisphenole zusätzlich zu Tetrahalohexafluor Bisphenol A enthält, sowie Esterhälften. Eine Synthese derartiger substituierter Polycarbonate und verwandter Polyestercarbonate ist in dem U.S.-Patent 4 874 401 beschrieben. Siehe ferner die U.S.-Patente 4 851 014 und 5 000 763.where X is either Cl or Br. The polycarbonate may be a copolymer containing bisphenols in addition to tetrahalohexafluorobisphenol A, as well as ester moieties. A synthesis of such substituted polycarbonates and related polyestercarbonates is described in U.S. Patent 4,874,401. See also U.S. Patents 4,851,014 and 5,000,763.

Bevorzugte erfindungsgemäße glasartige Polymere umfassen Polycarbonate, welche 9,9-bis(3,5-Dibrom-4-Hydroxy- Phenyl)Fluoren (TBF PC) bzw. 9,9-bis(3,5-Dichlor-4- Hydroxyphenyl)Fluoren (TCF PC) enthalten, welche eine wiederkehrende Einheit der folgenden Formel aufweisen: Preferred glassy polymers according to the invention include polycarbonates containing 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene (TBF PC) or 9,9-bis(3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl)fluorene (TCF PC), which have a repeating unit of the following formula:

wobei U entweder Br oder Cl ist. Das Polycarbonat kann ein Copolymer sein, welches Bisphenole zusätzlich zu 9,9-bis(3,5- Dibrom-4-Hydroxyphenyl)Fluoren bzw. 9,9-bis(3,5-Dichlor-4- Hydroxyphenyl)Fluoren enthält, sowie Esterteile.where U is either Br or Cl. The polycarbonate may be a copolymer containing bisphenols in addition to 9,9-bis(3,5- dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene or 9,9-bis(3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl)fluorene, as well as ester moieties.

Derartige fluorenhaltige Polycarbonate können erhalten werden durch die Reaktion des fluorenhaltigen Bisphenols mit einem Phosgen bzw. einem anderen Carbonatvorläufer unter Verwendung von entweder Lösungs- oder Grenzflächen- Polycarbonatsynthesetechniken. Beispiele der Synthesen von Polycarbonaten gemäß diesen Techniken sind dargelegt in den U.S.-Patenten 3 248 414; 3 153 008; 3 215 668; 3 187 065; 3 028 365; 2 999 846; 2 999 835; 2 964 974; 2 970 137; und 1 991 273. Siehe ferner H. Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, Interscience Publishers, New York, 1964, Seiten 9- 61.Such fluorene-containing polycarbonates can be obtained by reacting the fluorene-containing bisphenol with a phosgene or other carbonate precursor using either solution or interfacial polycarbonate synthesis techniques. Examples of syntheses of polycarbonates according to these techniques are set forth in U.S. Patents 3,248,414; 3,153,008; 3,215,668; 3,187,065; 3,028,365; 2,999,846; 2,999,835; 2,964,974; 2,970,137; and 1,991,273. See also H. Schnell, Chemistry and Physics of Polycarbonates, Interscience Publishers, New York, 1964, pages 9-61.

Derartige fluorenhaltige Polycarbonate können aus einer Lösung gegossen werden, um Filme zu bilden, bzw. aus Mischungen extrudiert werden, um Filme und Hohlfasern zu bilden. Die Lösungen bzw. Mischungen enthalten das Polycarbonat, ein Lösungsmittel, und wahlweise ein Nichtlösungsmittel. Bevorzugte Lösungsmittel für derartige fluorenhaltigen Polycarbonate um fassen Methylenchlorid, Chloroform, Trichlorethylen, Ortho- Dichlorbenzen, N,N-Dimethylacetamid, N,N-Dimethylformamid, Tetrahydrofuran, Cyclohexanon 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalen, 1- Formylpiperidin, 1-Acetonaphthon, 1-Acetylpiperidin, Benzaldehyd, 1-Chlornaphthalen, Cyclopentanon, N,N-Dimethyl- Propionamid, Ethyl-1-Pyrrolidinon-2,1-Cyclobenzyl-2- Pyrrolidinon, 1,1,3,3-Tetramethylharnstoff, Isophoron, 1,2,4- Trichlorbenzen, N-Formylmorpholin, N-Methylsalicylat, N- Methylcaprolactam, Methylbenzoat, Ethylbenzoat, Diglym, Chlorbenzen, 4-Ethylmorpholin, Methoxy-1-Naphthalen, Phenetol, Pyridin, Pyrrolidinon-2, Styrol, Styroloxid, N-Methyl-1- Pyrrolidinon, Aceztphenon, Anisol, und 1,4-Dioxan. Bevorzugte Nichtlösungsmittel für derartige fluorenhaltige Polycarbonate umfassen Aceton, Acetonitril, bis(2-Ethoxyethyl)Ether, Diethylen Glycol Dibutyl Ether, Butyl Stearat, n-Butyl-Acetat, Kohlenstoff-Tetrachlorid, Cyclohexan, Decahydronaphthalen, Decylalkohol, Diacetonalkohol, Diethylenglycol, Dimethylcarbonat, Dimethylmalonat, Dimethylsulfon, Dioctylphthalat, Dipropylcarbonat, Dodecan, Ethanol, Ethylacetat, Ethylfomat, Ethylbenzen, Ethylencarbonat, Ethylenglycol, Ethylenglycoldiethylether, Ethylenglycoldimethylether, 1-Hexanol, Isopropylalkohol, Methanol, Methylacetat, Mathylcaproat, Methylcaprylat, Mathylmyristat, Methylvalerat, Methylcyclohexan, Nitromethan, Polydimethylsiloxan, Polyethylenglycol E600, Propionitril, 1,1,1- Trichlorethan, Triethylamin, Triethylenglycol, Tetraglym, Triglym, Diphenylether, Polyethylenglycol 1500, Propylencarbonat, N-Methyl-Acetamid, und Xylen. Die Membran ist gebildet durch Gießen der Lösung bzw. durch Extrudieren der Mischung und Verdampfung bzw. Auswaschen der Lösung und wahlweise der Nichtlösung. Die Membran kann ferner nach dem Gießen bzw. Extrudieren zum Koagulieren gebracht bzw. ausgelaugt werden, indem die Membran mit einem geeigneten Nichtlösungsmittel, wie Wasser, in Berührung gebracht wird. Membraneigenschaften kön nen durch anschließendes Dehnen und/oder anschließende Wärmebehandlung der Membran modifiziert werden.Such fluorene-containing polycarbonates can be cast from a solution to form films or extruded from blends to form films and hollow fibers. The solutions or blends contain the polycarbonate, a solvent, and optionally a non-solvent. Preferred solvents for such fluorene-containing polycarbonates are include methylene chloride, chloroform, trichlorethylene, ortho-dichlorobenzene, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, tetrahydrofuran, cyclohexanone 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene, 1-formylpiperidine, 1-acetonapthone, 1-acetylpiperidine, benzaldehyde, 1-chloronaphthalene, cyclopentanone, Dimethyl-propionamide, ethyl-1-pyrrolidinone-2,1-cyclobenzyl-2-pyrrolidinone, 1,1,3,3-tetramethylurea, isophorone, 1,2,4-trichlorobenzene, N-formylmorpholine, N-methyl salicylate, N-methylcaprolactam, methyl benzoate, ethyl benzoate, diglym, chlorobenzene, 4-ethyl morpholine, methoxy-1-naphthalene, Phenetol, pyridine, pyrrolidinone-2, styrene, styrene oxide, N-methyl-1-pyrrolidinone, acetphenone, anisole, and 1,4-dioxane. Preferred nonsolvents for such fluorene-containing polycarbonates include acetone, acetonitrile, bis(2-ethoxyethyl)ether, diethylene glycol dibutyl ether, butyl stearate, n-butyl acetate, carbon tetrachloride, cyclohexane, decahydronaphthalene, decyl alcohol, diacetone alcohol, diethylene glycol, dimethyl carbonate, dimethyl malonate, dimethyl sulfone, dioctyl phthalate, dipropyl carbonate, dodecane, ethanol, ethyl acetate, ethyl formate, ethylbenzene, ethylene carbonate, ethylene glycol, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, 1-hexanol, isopropyl alcohol, methanol, methyl acetate, methylene caproate, methyl caprylate, methylene myristate, methyl valerate, methylcyclohexane, nitromethane, polydimethylsiloxane, polyethylene glycol E600, propionitrile, 1,1,1- Trichloroethane, triethylamine, triethylene glycol, tetraglyme, triglyme, diphenyl ether, polyethylene glycol 1500, propylene carbonate, N-methyl acetamide, and xylene. The membrane is formed by casting the solution or by extruding the mixture and evaporating or leaching the solution and optionally the non-solution. The membrane can also be coagulated or leached after casting or extrusion by bringing the membrane into contact with a suitable non-solvent such as water. Membrane properties can can be modified by subsequent stretching and/or subsequent heat treatment of the membrane.

Eine weitere Gruppe glasartiger Polymere sind substituierte Polyester, wie Tetrabromhexafluor Bisphenol A Isophthalat Ester (TBHF BA IE) bzw. Tetrachlorhexafluor Bisphenol A Isophthalat Ester (TCHF BA IE), welche eine wiederkehrende Einheit der folgenden Formel aufweisen: Another group of glassy polymers are substituted polyesters, such as tetrabromohexafluoro bisphenol A isophthalate ester (TBHF BA IE) or tetrachlorohexafluoro bisphenol A isophthalate ester (TCHF BA IE), which have a repeating unit of the following formula:

wobei Y entweder Cl oder Br ist. Das Polyester kann ferner ein Polymer sein, welches Bisphenole zusätzlich zu Tetrahalohexafluor Bisphenol A enthält.where Y is either Cl or Br. The polyester may further be a polymer containing bisphenols in addition to tetrahalohexafluoro bisphenol A.

Bestimmte Polybenzoxazol (PBO)- bzw. Polybenzothiazol (PBT)-Materialien sind zur Verwendung als Membrane besonders geeignet. Ein PBO bzw. PBT, bei welchem es sich nicht um eine hoch-kristalline, starre Stangenstruktur handelt, ist bevorzugt. Beispielsweise umfassen bevorzugte Polybenzoxazole solche, welche wiederkehrende Einheiten der folgenden Formel umfassen: PBO A Certain polybenzoxazole (PBO) or polybenzothiazole (PBT) materials are particularly suitable for use as membranes. A PBO or PBT which is not a highly crystalline, rigid rod structure is preferred. For example, preferred polybenzoxazoles include those which comprise repeating units of the following formula: PBO A

bzw. PBO B or PBO B

wobei Z Sauerstoff ist.where Z is oxygen.

Bei bevorzugten Polybenzothiazolen ist Z Schwefel bei den zuvor erwähnten wiederkehrenden Einheiten. Isomere der wiederkehrenden Einheiten von PBO A und PBO B sind ebenso möglich. Ferner sind die folgenden wiederkehrenden Einheiten verwendbar: In preferred polybenzothiazoles, Z is sulfur in the aforementioned repeating units. Isomers of the repeating units of PBO A and PBO B are also possible. Furthermore, the following repeating units can be used:

bzw. or.

Die PBO und andere Polybenzoazolmaterialien können hergestellt werden wie in U.S.-Patenten 4 847 350; 4 772 668; und 4 533 693 sowie in Japanese Kokai 62/207 322 und 01/159 024 beschrieben. Die U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 513 345, eingereicht am 20. April 1990, beschreibt die Herstellung mikroporöser PBO-Membrane. Das U.S.-Patent 5 034 026, veröffentlicht am 23. Juli 1991, beschreibt PBO-Membrane zur Gastrennung. U.S.-Patente 4 939 235; 4 963 428; 4 487 735 und 4 898 924 sowie Japanese Kokai 61/28 530 beschreiben die Herstellung von Filmen aus Polybenzoazolen. Die Polybenzoazole sind generell in Polyphosphorsäure löslich, aber bestimmte PBO- und PBT-Materialien werden einfacher als Gastrennmembrane unter Verwendung flüchtigerer Lösungsmittel, wie Methansulfonsäure, gebildet. Weitere Gruppen können in das PBO bzw. PBT eingeführt werden, um das Polymer den Verfahrensschritten und Vorgängen, welche zum Bilden der Membran geeignet sind, zugänglicher zu machen. Das PBO bzw. PBT, insbesondere ein indanhaltiges PBO, wie PBO A, kann aus einer Lösung aus Methansulfonsäure zum Bilden von Filmen gegossen bzw. extrudiert werden. Bei einem indanhaltigen PBO können m-Kresol und bestimmte ether-organische Lösungsmittel das Polymer auflösen. Ist m-Kresol das Lösungsmittel, so kann das Lösungsmittel zur Verdampfung von der Membran gebracht bzw. mit einem Nichtlösungsmittel ausgewaschen werden. Der Film kann ferner nach dem Gießen zum Koagulieren gebracht werden, indem dieser mit einem geeigneten Nichtlösungsmittel in Berührung gebracht wird. Membraneigenschaften können durch Dehnen und/oder vorzugsweise durch Wärmebehandlung der Membran modifiziert werden. Eine Wärmebehandlung ist dahingehend wünschenswert, daß diese Oberflächenporen in der Membran eliminiert. Allgemein muß die Membran vor der Verwendung sorgfältig getrocknet werden, das heißt, das Lösungsmittel und die Koagulationsmittel müssen entfernt werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.The PBO and other polybenzoazole materials can be prepared as described in U.S. Patents 4,847,350; 4,772,668; and 4,533,693 and Japanese Kokai 62/207,322 and 01/159,024. U.S. Patent Application Serial No. 513,345, filed April 20, 1990, describes the preparation of microporous PBO membranes. U.S. Patent 5,034,026, published July 23, 1991, describes PBO membranes for gas separation. U.S. Patents 4,939,235; 4,963,428; 4 487 735 and 4 898 924 as well as Japanese Kokai 61/28 530 describe the preparation of films from polybenzoazoles. The polybenzoazoles are generally soluble in polyphosphoric acid, but certain PBO and PBT materials are more easily formed as gas separation membranes using more volatile solvents such as methanesulfonic acid. Additional groups can be incorporated into the PBO or PBT introduced to make the polymer more amenable to the processing steps and operations suitable for forming the membrane. The PBO or PBT, particularly an indane-containing PBO such as PBO A, can be cast or extruded from a solution of methanesulfonic acid to form films. For an indane-containing PBO, m-cresol and certain ether-organic solvents can dissolve the polymer. If m-cresol is the solvent, the solvent can be evaporated from the membrane or washed out with a non-solvent. The film can also be coagulated after casting by contacting it with a suitable non-solvent. Membrane properties can be modified by stretching and/or preferably by heat treating the membrane. Heat treatment is desirable in that it eliminates surface pores in the membrane. Generally, the membrane must be carefully dried before use, that is, the solvent and coagulants must be removed, in order to achieve the desired properties.

Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine asymmetrische PBO- Membran aus einem Dope hergestellt werden, welches ein Lösungsmittel für das Polymer und eine nicht lösende porenbildende Verbindung enthält. Vorteilhafterweise wird das Dope in einem Fällmittel für das Polymer zur Koagulation gebracht, welches einen Teil des Lösungsmittel sowie einen Teil der porenbildenden Verbindung auslaugt. Zur Herstellung von Polyphenylenoxidmembranen siehe U.S.-Patente 3 350 844; 3 709 774; 3 852 388; 4 468 500; 4 468 501; 4 468 502; 4 468 503; und 4 949 775. Das U.S.-Patent 4 971 695 beschreibt sulfonierte und/oder Hexafluorbisphenol A enthaltende Polysulfonmembrane.In one embodiment, an asymmetric PBO membrane can be made from a dope containing a solvent for the polymer and a non-solvent pore-forming compound. Advantageously, the dope is coagulated in a polymer precipitant which leaches out a portion of the solvent as well as a portion of the pore-forming compound. For the preparation of polyphenylene oxide membranes, see U.S. Patents 3,350,844; 3,709,774; 3,852,388; 4,468,500; 4,468,501; 4,468,502; 4,468,503; and 4,949,775. U.S. Patent 4,971,695 describes sulfonated and/or hexafluorobisphenol A-containing polysulfone membranes.

U.S.-Patent 3 899 309 beschreibt die Synthese und Herstellung von aromatischem Polyimid, Polyester und Polyamidtrenn membranen. U.S.-Patente 4 717 393; 4 717 394; 5 009 679; 5 034 027; 5 042 992; und 5 042 993 beschreiben bestimmte Polyimidmembrane. U.S.-Patente 5 007 945 und 5 013 332 beschreiben bestimmte Polyarylatmembrane. Während diese Membrane bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht bewertet wurden, können verwendbare Membrane durch Experimentieren leicht identifiziert werden.US Patent 3,899,309 describes the synthesis and preparation of aromatic polyimide, polyester and polyamide release membranes. U.S. Patents 4,717,393; 4,717,394; 5,009,679; 5,034,027; 5,042,992; and 5,042,993 describe certain polyimide membranes. U.S. Patents 5,007,945 and 5,013,332 describe certain polyarylate membranes. While these membranes were not evaluated in the process of the present invention, useful membranes can be readily identified by experimentation.

Bestimmte Polyimidmaterialien werden zur Verwendung als Membrane besonders bevorzugt. Derartige Polyimide umfassen solche, welche Indanteile enthalten. Indanhaltig, wie hier verwendet, bezieht sich auf Teile auf der Grundlage eines cyclo-aliphatischen Rings und zweier aromatischer Ringe, wobei einer davon mit einem fünfelementigen Ring, welcher gesättigt ist, vereinigt wird, mit Ausnahme der zwei Kohlenstoffatome, welche Teil der aromatischen Gruppe sind, während der verbleibende aromatische Ring durch eine Einfachbindung an dem gesättigten fünfelementigen Ring angebracht wird, wobei diese mit dem Polymer durch mindestens eine Einfachbindung von jedem aromatischen Ring verbunden sind. Indanhaltiges Polyimid, wie hier verwendet, bezieht sich auf ein Polyimid, welches mindestens einen Abschnitt von Diaminresten enthält, welche von indanhaltigen Diaminen abgeleitet sind. Die Polyimide können von aliphatischen, alizyklischen und/oder aromatischen Dianhydriden und aliphatischen, alizyklischen und/oder aromatischen Diaminen abgeleitet sein, mit der Vorgabe, daß mindestens ein Abschnitt der Diamine Indanteile enthält. Derartige Polyimide umfassen Polyimide, welche aus gemischten Dianhydriden und/oder gemischten Diaminen abgeleitet sind, vorausgesetzt, daß mindestens ein Abschnitt der Diamine Indanteile enthält. Vorzugsweise mindestens 25 Prozent, noch bevorzugter mindestens 50 Prozent, noch bevorzugter mindestens 75 Prozent, am meisten bevorzugt 100 Prozent der Diaminreste, welche in dem Polyimid vorhanden sind, enthalten Indanteile.Certain polyimide materials are particularly preferred for use as membranes. Such polyimides include those containing indane moieties. Indane-containing, as used herein, refers to moieties based on a cycloaliphatic ring and two aromatic rings, one of which is joined to a five-membered ring which is saturated, except for the two carbon atoms which are part of the aromatic group, while the remaining aromatic ring is attached by a single bond to the saturated five-membered ring, which are connected to the polymer by at least one single bond from each aromatic ring. Indane-containing polyimide, as used herein, refers to a polyimide which contains at least a portion of diamine residues derived from indane-containing diamines. The polyimides can be derived from aliphatic, alicyclic and/or aromatic dianhydrides and aliphatic, alicyclic and/or aromatic diamines, provided that at least a portion of the diamines contains indane moieties. Such polyimides include polyimides derived from mixed dianhydrides and/or mixed diamines, provided that at least a portion of the diamines contains indane moieties. Preferably at least 25 percent, more preferably at least 50 percent, even more preferably at least 75 percent, most preferably 100 percent of the diamine moieties present in the polyimide contain indane moieties.

Die indanhaltigen Polyimide umfassen vorzugsweise wiederkehrende Einheiten, welche der folgenden Formel entsprechen: The indane-containing polyimides preferably comprise repeating units corresponding to the following formula:

wobeiwhere

R unabhängig bei jedem Auftreten ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:R is independently selected at each occurrence from the group consisting of:

A. ein vierwertiger Phenylen-, Naphthalen- oder Perylenrest;A. a tetravalent phenylene, naphthalene or perylene radical;

B. ein vierwertiger Bisphenylenrest entsprechend der folgenden Formel: B. a tetravalent bisphenylene residue according to the following formula:

wobeiwhere

L unabhängig bei jedem Auftreten ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Einfachbindung, -O-, -CO-, -S-, - SO-, -SO&sub2;-, -SS-, einem zweiwertigen C&sub1;&submin;&sub1;&sub2; Hydrocarbyl-Rest, und einem zweiwertigen C&sub1;&submin;&sub6; Halohydrocarbyl-Rest; undL is independently selected at each occurrence from the group consisting of a single bond, -O-, -CO-, -S-, -SO-, -SO₂-, -SS-, a divalent C₁₋₁₂ hydrocarbyl group, and a divalent C₁₋₆ halohydrocarbyl group; and

C. einem vierwertigen Bisphenylenrest entsprechend der folgenden Formel: C. a tetravalent bisphenylene radical according to the following formula:

wobeiwhere

W unabhängig bei jedem Auftreten ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem einwertigen C&sub1;&submin;&sub8; Hydrocarbyl-Rest, und einem einwertigen Halohydrocarbyl-Rest; undW is independently selected at each occurrence from the group consisting of hydrogen, a monovalent C₁₋₈ hydrocarbyl radical, and a monovalent halohydrocarbyl radical; and

R¹ unabhängig bei jedem Auftreten ein zweiwertiger Rest ist, welcher der folgenden Formel entspricht: R¹ is independently at each occurrence a divalent radical which corresponds to the following formula:

bzw. or.

wobeiwhere

V bei jedem Auftreten unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem einwertigenV at each occurrence is independently selected from the group consisting of hydrogen, a monovalent

C&sub1;&submin;&sub6; Hydrocarbyl- bzw. Halohydrocarbyl-Rest, einem einwertigen C&sub2;&submin;&sub6; Oxyhydrocarbyl- bzw. Oxyhalohydrocarbyl-Rest, -OH, - Cl, -Br, -NO&sub2; und -SO&sub3;H; undC₁₋₆ hydrocarbyl or halohydrocarbyl radical, a monovalent C₂₋₆ oxyhydrocarbyl or oxyhalohydrocarbyl radical, -OH, - Cl, -Br, -NO₂ and -SO₃H; and

W' bei jedem Auftreten unabhängig ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem einwertigen C&sub1;&submin;&sub8; Hydrocarbyl-Rest, und einem einwertigen C&sub1;&submin;&sub8; Halohydrocarbyl-Rest.W' at each occurrence is independently selected from the group consisting of hydrogen, a monovalent C₁₋₈ hydrocarbyl group, and a monovalent C₁₋₈ halohydrocarbyl group.

Derartige indanhaltige Polyimide können hergestellt werden durch die Reaktion eines aliphatischen, alizyklischen und/oder aromatischen Dianhydrids mit einem indanhaltigen Diamin bei Vorhandensein einer Base, wie einem Isoquinolin, und einem Lösungsmittel, wie einem m-Kresol. Die Lösung wird besprengt mit einer Atmosphäre eines Edelgases, wie Trockenstickstoff, etwa 1 Stunde bis 30 Stunden gerefluxt, auf etwa 120ºC bis etwa 50ºC gekühlt, präzipitiert in Alkohol, wie Methanol, und durch Filtration wiedergewonnen. Das wiedergewonnene Polymer wird wahlweise gewaschen bzw. erneut aufgelöst und erneut Präzipitiert, um das Polymer weiter zu reinigen, sowie vorzugsweise unter Vakuum bei etwa 80ºC bis etwa 150ºC getrocknet. Derartige Polyimide, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, können ferner hergestellt werden durch Verfahren, welche in der Technik offenbart sind. Siehe U.S.-Patente 4 366 304; 4 378 400; 4 454 310; 4 474 858; 4 639 485; 4 645 824; 4 687 611; 4 742 153; und 4 838 900.Such indane-containing polyimides can be prepared by reacting an aliphatic, alicyclic and/or aromatic dianhydride with an indane-containing diamine in the presence of a base such as an isoquinoline and a solvent such as a m-cresol. The solution is sparged with an atmosphere of a noble gas such as dry nitrogen, refluxed for about 1 hour to 30 hours, cooled to about 120°C to about 50°C, precipitated in alcohol such as methanol, and recovered by filtration. The recovered polymer is optionally washed or redissolved and reprecipitated to further purify the polymer and preferably dried under vacuum at about 80°C to about 150°C. Such polyimides useful in the present invention can also be prepared by methods disclosed in the art. See U.S. Patents 4,366,304; 4,378,400; 4,454,310; 4,474,858; 4,639,485; 4,645,824; 4,687,611; 4,742,153; and 4,838,900.

Derartige indanhaltigen Polyimide können aus einer Lösung gegossen werden, um Filme zu bilden, bzw. können extrudiert werden, um Filme und Hohlfasern zu bilden. Siehe U.S.-Patente 4 746 474; 4 880 699; 4 929 405; und 4 978 573. Bevorzugte Lösungsmittel für derartige Polyimide umfassen m-Kresol und zweipolige aprotische Lösungsmittel wie N-Methyl-2- Pyrrolidinon, N,N-Dimethylacetamid und Dimethylformamid. Das Lösungsmittel wird zum Verdampfen von der Membran gebracht bzw. von der Membran mit einem Nichtlösungsmittel, wie Wasser, ausgewaschen. Die Membran kann ferner nach dem Gießen bzw. nach dem Extrudieren zum Koagulieren gebracht werden, indem diese mit einem Nichtlösungsmittel in Berührung gebracht wird. Membraneigenschaften können durch Dehnen und/oder Wärmebehandeln der Membran modifiziert werden.Such indane-containing polyimides can be cast from solution to form films or extruded to form films and hollow fibers. See U.S. Patents 4,746,474; 4,880,699; 4,929,405; and 4,978,573. Preferred solvents for such polyimides include m-cresol and dipolar aprotic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidinone, N,N-dimethylacetamide, and dimethylformamide. The solvent is evaporated from the membrane or washed from the membrane with a nonsolvent such as water. The membrane can also be coagulated after casting or after extrusion by contacting it with a nonsolvent. Membrane properties can be modified by stretching and/or heat treating the membrane.

Bestimmte substituierte Polyether sollen ebenso bevorzugte Materialien für Membrane sein, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, insbesondere Polyether, welche Hexafluor-Bisphenol-A-Teile enthalten. Die Synthese derartiger Polyether ist in der Technik bekannt. Siehe Mercer et al., International Publication Number WO 91/09081. Membrane können aus derartigen Polymeren gebildet werden durch Gießen eines Films von einer Lösung des Polymers in ein geeignetes Lösungsmittel, wie chlorhaltiger Kohlenwasserstoff.Certain substituted polyethers are also said to be preferred materials for membranes used in the present invention, particularly polyethers containing hexafluoro-bisphenol-A moieties. The synthesis of such polyethers is known in the art. See Mercer et al., International Publication Number WO 91/09081. Membranes can be formed from such polymers by casting a film of a solution of the polymer in a suitable solvent, such as a chlorinated hydrocarbon.

Bestimmte substituierte Polytriazole und Polyoxadiazole sind ebenso bevorzugte Materialien für bei der vorliegenden Erfindung verwendete Materialien. Polytriazole und Polyoxadiazole, umfassend substituierte Alkyl-, Aryl- und Halogenenthaltende Teile, können verschmolzen werden durch Kondensationspolymerisation, und zu Membranen gebildet werden durch Gießen bzw. Extrudieren von geeigneten Lösungen bzw. Mischungen, welche das Polymer enthalten. Beispielsweise ist die Herstellung poröser bzw. flüssiger Trennmembrane aus Oxadiazolpolymer erörtert in dem Japanischen Patent Nr. 79/25 278; dem U.S.S.R.-Patent Nrn. 1 033 510; 1 038 347; und 1 248 629; und WO 8200648. Gastrennmembrane aus derartigen Polymeren können gegossen bzw. extrudiert werden aus Lösungen bzw. Mischungen des Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel, wie Schwefelsäure, Methansulfonsäure, Trifluoressigsäure, Formylsäure, Polyphosphorsäure und ähnlichem. Für zusätzliche Informationen bezüglich Polytriazolmembranen siehe Gebben et al., "Gas Separation Properties of a Thermally Stable and Chemically Resistant Polytriazole Membrane", Journal of Membrane Science, Band 46, Seiten 29-41 (1998).Certain substituted polytriazoles and polyoxadiazoles are also preferred materials for use in the present invention. Polytriazoles and polyoxadiazoles comprising substituted alkyl, aryl and halogen-containing moieties can be fused by condensation polymerization and formed into membranes by casting or extruding suitable solutions or mixtures containing the polymer. For example, the preparation of porous or liquid separation membranes from oxadiazole polymer is discussed in Japanese Patent No. 79/25,278; U.S.S.R. Patent Nos. 1,033,510; 1,038,347; and 1,248,629; and WO 8200648. Gas separation membranes made of such polymers can be cast or extruded from solutions or mixtures of the polymer in a suitable solvent such as sulfuric acid, methanesulfonic acid, trifluoroacetic acid, formic acid, polyphosphoric acid and the like. For additional information regarding polytriazole membranes see Gebben et al., "Gas Separation Properties of a Thermally Stable and Chemically Resistant Polytriazole Membrane", Journal of Membrane Science, Vol. 46, pages 29-41 (1998).

Allgemein weisen Polymere, welche für Gastrennmembrane verwendbar sind, verhältnismäßig konsistente und reproduzierbare Transporteigengschaften hinsichtlich Gaspermeabilität und Selektivität auf, welche unabhängig sind von dem Herstellungsverfahren zu Membranen. Bei derartigen Polymeren ist die resultierende Leistungsfähigkeit der Membran im wesentlichen lediglich von der chemischen Zusammensetzung der Membrane und deren effektiven Dicke abhängig. Einige Polymere weisen jedoch eine variable Transportleistung in Abhängigkeit von der Membranherstellungs-Methodik und Membranvorgeschichte auf. Genauer sind Polymere, welche Einfrierbereiche deutlich oberhalb Umgebungstemperatur aufweisen, empfindlich bezüglich des Verfahrens der Membranherstellung und der Vorgeschichte der Membran. Es wird davon ausgegangen, daß dieses Verhalten bedingt ist durch den thermodynamischen Ungleichgewichtszustand dieser Polymere. Die Menge und Verteilung von freiem bzw. unbesetztem Volumen und der Grad der Orientierung und/oder Kristallinität können die Gastransporteigenschaften bei derartigen Polymeren beeinflussen.In general, polymers useful for gas separation membranes exhibit relatively consistent and reproducible transport properties in terms of gas permeability and selectivity, which are independent of the membrane manufacturing process. For such polymers, the resulting membrane performance depends essentially only on the chemical composition of the membrane and its effective thickness. However, some polymers exhibit variable transport performance depending on the membrane manufacturing methodology and membrane history. More specifically, polymers that exhibit freezing points well above ambient temperature are sensitive to the membrane manufacturing process and membrane history. This behavior is believed to be due to the thermodynamic non-equilibrium state of these polymers. The amount and distribution of free or unoccupied volume and the degree of orientation and/or crystallinity can influence the gas transport properties of such polymers.

Ein derartiges Verhalten wurde in der Technik beobachtet. Beispielsweise offenbaren U.S.-Patente 4 880 441 und 4 871 494 Verfahren zum Beeinflussen der Menge von freiem Volumen in einer Membrantrennschicht durch Ändern des Herstellverfahrens. Hohe Konzentrationen von in einer Membran gelöstem Kohlendioxid können dazu verwendet werden, den Zustand freien Volumens der Trennschicht der Membran zu ändern, wie in U.S.-Patent 4 755 192 beschrieben. Vorgehensweisen wie in diese Patenten beschrieben liefern Verfahren zum Ändern der Permeabilität- und Selektivität-Eigenschaften einem Membranmaterials, entweder während der Herstellung der Membran bzw. als anschließende Behandlung. Diese Verfahren können zum Herstellen von Membranen, welche die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen, nützlich sein. In einigen Fällen kann ein Material, welches außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fällt, indem ein spezielles Membranherstellverfahren verwendet wird, dazu gebracht werden, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durch Änderung des Herstellverfahrens zu fallen. Es ist ferner möglich, ein Verfahren nach Vollendung der Herstellung der Membran anzuwenden, wie beispielsweise ein Aufquellen der Membran, indem diese Kohlendioxid bzw. einem anderen Gas bzw. einer anderen Flüssigkeit ausgesetzt wird, was die ursprüngliche Leistungsfähigkeit der Membran derart ändert, daß diese innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fällt. Außerdem können anderen Membranmodifizierungsverfahren, wie eine Oberflächenmodifizierung, eine UV-Bestrahlung, eine Quervernetzung, ein monoaxiales bzw. biaxiales Dehnen bzw. Ziehen, bzw. die Zugabe von Zusätzen, welche Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, verwendet werden, um Membrane herzustellen, welche die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen.Such behavior has been observed in the art. For example, U.S. Patents 4,880,441 and 4,871,494 disclose methods for influencing the amount of free volume in a membrane separation layer by changing the manufacturing process. High concentrations of carbon dioxide dissolved in a membrane can be used to change the free volume state of the separation layer of the membrane, as described in U.S. Patent 4,755,192. Procedures as described in these patents provide methods for changing the permeability and selectivity properties of a membrane material, either during manufacture of the membrane or as a subsequent treatment. These methods can be useful for making membranes that meet the criteria of the present invention. In some cases, a material that outside the scope of the present invention by using a particular membrane manufacturing process can be made to fall within the scope of the present invention by changing the manufacturing process. It is also possible to use a process after completion of the manufacture of the membrane, such as swelling the membrane by exposing it to carbon dioxide or another gas or liquid, which changes the original performance of the membrane so that it falls within the scope of the present invention. In addition, other membrane modification processes such as surface modification, UV irradiation, cross-linking, monoaxial or biaxial stretching or addition of additives, which are known to those skilled in the art, can be used to produce membranes that meet the criteria of the present invention.

Daher sollte ein polymeres Material, welches zu einer Membran gefertigt werden kann, welche außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung fällt, nicht notwendigerweise als in jeder Situation außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung angesehen werden, da eine Anzahl von Herstellungs- bzw. Membranmodifizierungsverfahren zum Ändern der Leistungsfähigkeit des Polymers in der endgültigen Membranform verfügbar sind. Diese Verfahren können dazu verwendet werden, Membrane herzustellen, welche die Eigenschaften aufweisen, welche für die vorliegende Erfindung erwünscht sind.Therefore, a polymeric material that can be made into a membrane that falls outside the scope of the present invention should not necessarily be considered outside the scope of the present invention in every situation, since a number of manufacturing or membrane modification processes are available for changing the performance of the polymer in the final membrane form. These processes can be used to produce membranes that have the properties desired for the present invention.

Fig. 12 zeigt, daß lediglich bestimmte Gastrennmembrane die Kriterien erfüllen, welche für die vorliegende Erfindung festgelegt sind. Fig. 12 zeigt tatsächliche Leistungsdaten, welche durch offene Kreise für eine erste Membran (Membran 1) und durch offene Vierecke für eine zweite Membran (Membran 2) dargestellt sind. Diese Daten wurden erzeugt durch Durchführen von Trennungen bei verschiedenen Temperaturen bezüglich Sauerstoff und Stickstoff. Kurven wurden erzeugt durch Anwenden von Arrhenius-Interpolationen und Arrhenius-Extrapolationen von tatsächlichen Daten der Leistung von zwei unterschiedlichen Membranen hinsichtlich der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff bei verschiedenen Temperaturen. Die ausgefüllten Kreise und Vierecke zeigen eine intrapolierte und eine extrapolierte Leistung bei Temperaturintervallen von 20ºC für die beiden unterschiedlichen Membrane an. Die Kurve von Membran 1 zeigt eine Membranleistungskurve, welche angepaßt ist an tatsächliche Daten bezüglich einer TCHF BA PC-Membran. Die Kurve für Membran 2 zeigt eine Leistung von Cellulosetriazetat, einem im Handel erhältlichen Membranmaterial, welche dargestellt ist als Vergleichsexperiment, welches nicht innerhalb des Umfangs der Erfindung fällt. Es ist ersichtlich, daß bei -20ºC die erste Membran einen Trennfaktor von etwa 7,6 und eine Sauerstoffpermeabilität von etwa 4,6 Barrers erzielt. Die zweite Membran, welche bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird, weist bei -20ºC einen Trennfaktor von etwa 9,2 und eine Sauerstoffpermeabilität von etwa 0,4 Barrers auf. Viele Membrane des Standes der Technik, wie durch die Membran 2 in Fig. 12 dargestellt, weisen allgemein entweder eine zu niedrige Gaspermeabilität bei verringerten Temperaturen oder eine verhältnismäßig geringe Verbesserung der Selektivität auf. Weitere Beispiele von Membranen, welche die gewünschten Eigenschaften nicht aufweisen, sind Membrane aus TRYCITE Polystyrol, Tetramethyl Bisphenol A Polycarbonat, nicht substituiertes Polysulfon und Tetrabrom Bisphenol A Polycarbonat. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Membrane können die Form von Flachfolien bzw. Flachfilmen aufweisen bzw. Hohlfasern oder Hohlröhren sein. Die Morphologie bzw. Struktur der Membrane kann homogen, zusammengesetzt bzw. asymmetrisch sein.Fig. 12 shows that only certain gas separation membranes meet the criteria set forth for the present invention. Fig. 12 shows actual performance data, represented by open circles for a first membrane (Membrane 1) and by open squares for a second membrane (Membrane 2). This data was generated by performing of separations at different temperatures with respect to oxygen and nitrogen. Curves were generated by applying Arrhenius interpolations and Arrhenius extrapolations from actual data on the performance of two different membranes with respect to the separation of oxygen and nitrogen at different temperatures. The filled circles and squares indicate an interpolated and an extrapolated performance at temperature intervals of 20°C for the two different membranes. The curve for membrane 1 shows a membrane performance curve fitted to actual data with respect to a TCHF BA PC membrane. The curve for membrane 2 shows performance of cellulose triacetate, a commercially available membrane material, which is presented as a comparative experiment which does not fall within the scope of the invention. It can be seen that at -20°C the first membrane achieves a separation factor of about 7.6 and an oxygen permeability of about 4.6 Barrers. The second membrane, which is not used in the process of the present invention, has a separation factor of about 9.2 at -20°C and an oxygen permeability of about 0.4 Barrers. Many prior art membranes, as represented by membrane 2 in Figure 12, generally have either too low a gas permeability at reduced temperatures or relatively little improvement in selectivity. Other examples of membranes which do not have the desired properties are membranes made of TRYCITE polystyrene, tetramethyl bisphenol A polycarbonate, unsubstituted polysulfone and tetrabromo bisphenol A polycarbonate. The membranes useful in the present invention can be in the form of flat films, hollow fibers or hollow tubes. The morphology or structure of the membrane can be homogeneous, composite or asymmetric.

Die Struktur bzw. Morphologie von bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung möglichen Membranen kann homogen sein. Im Falle einer homogenen Membran kann die gesamte Dicke der Membran als Trennschicht dienen. Homogene Membrane werden hergestellt durch Ausbilden einer kontinuierlichen, dünnen Trennschicht, welche dicht und im wesentlichen frei von Hohlräumen oder Poren ist. Allgemein weisen homogene Membrane einen verhältnismäßig geringen Fluß durch die Membran aufgrund der Dicke der Trennschicht der Membran auf.The structure or morphology of membranes possible in the process of the present invention can be homogeneous. In the case of a homogeneous membrane, the entire thickness of the membrane can serve as a separation layer. Homogeneous membranes are made by forming a continuous, thin separation layer which is dense and substantially free of voids or pores. In general, homogeneous membranes have a relatively low flux through the membrane due to the thickness of the separation layer of the membrane.

Die gesamte Membran muß nicht aus dem glasartigen Polymer hergestellt werden. Bei vielen Ausführungsbeispielen ist es zu bevorzugen, eine zusammengesetzte Membran mit einem porösen Substrat zu verwenden, an welchem die Trennschicht aus einem glasartigen Polymer gebildet bzw. abgelagert wird. Derartige poröse Substrate können isotrop bzw. anisotrop sein. Eine zusammengesetzte Membran kann vielschichtig sein und kann mehrere Träger-, Zwischen- und Sammelschichten zusätzlich zu der Trennschicht aufweisen. Das Substrat kann ein geeignetes Material sein, welches die erforderliche Festigkeit und Permeabilität aufweist. Polysulfone, Polyethersulfone, aromatische Polyimide, Polycarbonate, Polyester-Carbonate, Polyester, Polyetherketone, Polyamide, Polyolefine, Polytetrafluorethylene und Polybenzo-Azole werden als poröse Substratmaterialien bevorzugt. Poröse inorganische Träger, wie poröse Keramik, sind ebenso möglich. Die Trennschicht kann auf dem Substrat gegossen, auf dem Substrat plasmapolimerisiert, laminiert bzw. durch jegliche anderen geeignete Technik gebildet werden, solange die Trennschicht im wesentlichen schadensfrei ist, das heißt, im wesentlichen frei von Stiftlöchern bzw. anderen Diskontinuität, welche die Membranleistung nachteilig beeinflussen. Es ist ebenso erwünscht, daß die Trennschicht so dünn wie möglich ist, um den Fluß von durch die Membran permeierendem Gas zu maximieren.The entire membrane need not be made of the glassy polymer. In many embodiments, it is preferable to use a composite membrane with a porous substrate on which the glassy polymer separating layer is formed or deposited. Such porous substrates may be isotropic or anisotropic. A composite membrane may be multilayered and may have several support, intermediate and collection layers in addition to the separating layer. The substrate may be any suitable material having the required strength and permeability. Polysulfones, polyethersulfones, aromatic polyimides, polycarbonates, polyester carbonates, polyesters, polyether ketones, polyamides, polyolefins, polytetrafluoroethylenes and polybenzo-azoles are preferred as porous substrate materials. Porous inorganic supports such as porous ceramics are also possible. The separation layer can be cast on the substrate, plasma polymerized on the substrate, laminated, or formed by any other suitable technique, so long as the separation layer is substantially defect-free, that is, substantially free of pinholes or other discontinuities that adversely affect membrane performance. It is also desirable that the separation layer be as thin as possible to maximize the flux of gas permeating through the membrane.

Es können ebenso asymmetrische bzw. anisotrope Membrane verwendet werden. Derartige Membrane weisen mindestens einen dichten Trennbereich und mindestens einen generell porösen bzw. weniger dichten Bereich auf, welcher einen zusätzlichen mechaischen Träger darstellt und aus dem gleichen Polymer gebildet ist. Bei dem Ausführungsbeispielen, bei welchen die Membran eine Hohlfaser ist, kann der Trennbereich an bzw. nahe der externen Außenfläche, an bzw. nahe der internen Innenfläche, an einem Bereich zwischen der externen und der internen Fläche bzw. an einer Kombination davon auftreten. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Hohlfasermembran einen Trennbereich an bzw. nahe der Innenfläche der Hohlfasermembran und einen allgemein porösen Bereich, welcher sich ausgehend von dem Trennbereich zu der Außenfläche der Hohlfasermembran erstreckt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfaßt die Hohlfasermembran einen generell porösen Bereich an bzw. nahe der Außenfläche der Hohlfasermembran, einen generell porösen Bereich an bzw. nahe der Innenfläche der Hohlfasermembran, und einen Trennbereich, welcher generell zwischen den beiden porösen Flächenbereichen angeordnet ist. Der Trennbereich in den Hohlfasermembranen der vorliegenden Erfindung wirkt derart, daß dieser selektiv mindestens ein Komponentengas von mindestens einem anderen Komponentengas in dem Einspeisungs- Gasgemisch trennt. Der Trennbereich bei derartigen Membranen kann ein dichter Bereich, ein Bereich nicht-kontinuierlicher Porosität, ein Bereich, welcher einer geschlossenen Schaumstoffzelle ähnelt, bzw. ein Bereich sein, welcher einen verbesserten Zustand freien Volumens aufweist. Anisotrope bzw. asymmetrische Membrane werden geeigneterweise gebildet durch Gießen bzw. Extrudieren des Polymers in Mischungen eines Lösungsmittels und eines optionalen Nichtlösungsmittels hinsichtlich des in allgemeiner Weise bei dem Stand der Technik beschriebenen Polymer. Erläuternde Patente, welche die Her stellung asymmetrischer Membrane aus glasartigen Polymeren beschreiben, umfassen die U.S.-Patente 4 955 993; 4 772 392; 4 486 202; und 4 329 157. Die Wahl eines Lösungsmittels und einer bevorzugten Konzentration des Polymers variiert in Abhängigkeit von dem Lösungsmittel, dem Polymer, dem Herstellungsverfahren und weiteren Faktoren. Anschließende Behandlungen mit Wärme bzw. durch Dehnen können dazu verwendet werden, die Eigenschaften der Membrane zu modifizieren. Wahlweise können die Membrane anschließend weiteren in der Technik beschriebenen Behandlungen unterzogen werden, einschließlich einer Oberflächenbehandlung durch Verfahren wie Lösungsmittelvergüten, Ätzen, Bestrahlen, Quervernetzen, Fluorieren, Sulfonieren, Plasmabehandeln und ähnlichem.Asymmetric or anisotropic membranes may also be used. Such membranes have at least one dense separation region and at least one generally porous or less dense region which represents an additional mechanical support and is formed from the same polymer. In the embodiments in which the membrane is a hollow fiber, the separation region can occur at or near the external outer surface, at or near the internal inner surface, at a region between the external and internal surfaces, or at a combination thereof. In one embodiment, the hollow fiber membrane comprises a separation region at or near the inner surface of the hollow fiber membrane and a generally porous region which extends from the separation region to the outer surface of the hollow fiber membrane. In another embodiment, the hollow fiber membrane comprises a generally porous region at or near the outer surface of the hollow fiber membrane, a generally porous region at or near the inner surface of the hollow fiber membrane, and a separation region which is arranged generally between the two porous surface regions. The separation region in the hollow fiber membranes of the present invention functions to selectively separate at least one component gas from at least one other component gas in the feed gas mixture. The separation region in such membranes may be a dense region, a region of non-continuous porosity, a region resembling a closed foam cell, or a region having an enhanced free volume state. Anisotropic or asymmetric membranes are suitably formed by casting or extruding the polymer into mixtures of a solvent and an optional non-solvent with respect to the polymer generally described in the prior art. Illustrative patents which describe the manufacture Nos. 4,955,993; 4,772,392; 4,486,202; and 4,329,157. The choice of solvent and preferred concentration of polymer will vary depending on the solvent, polymer, manufacturing process, and other factors. Subsequent heat or stretching treatments may be used to modify the properties of the membrane. Optionally, the membranes may then be subjected to other treatments described in the art, including surface treatment by processes such as solvent annealing, etching, irradiation, cross-linking, fluorination, sulfonation, plasma treatment, and the like.

Flachfolien- bzw. Filmmembrane, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind, weisen eine Dicke zwischen etwa 25 Mikrometer und etwa 500 Mikrometer auf. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendbaren Hohlfasermembrane weisen einen Durchmesser in dem Bereich von etwa 40 Mikrometern bis etwa 750 Mikrometern auf, vorzugsweise in dem Bereich von etwa 75 Mikrometern bis etwa 500 Mikrometern. Das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser derartiger Hohlfasermembrane liegt vorzugsweise zwischen etwa 1,15 und etwa 2,50, noch bevorzugter zwischen etwa 1,25 und 1,70. Im Falle asymmetrischer bzw. zusammengesetzter Membrane ist die Trennschicht vorzugsweise geringer als etwa 10 Mikrometer, noch bevorzugter geringer als etwa 1 Mikrometer, noch bevorzugter geringer als etwa 0,5 Mikrometer. Die Trennschicht bei asymmetrischen bzw. zusammengesetzten Membranen kann sich an der Außenfläche bzw. der Innenfläche der Hohlfasermembrane befinden.Flat film membranes useful in the present invention have a thickness between about 25 micrometers and about 500 micrometers. Hollow fiber membranes useful in the present invention have a diameter in the range of about 40 micrometers to about 750 micrometers, preferably in the range of about 75 micrometers to about 500 micrometers. The ratio of outside diameter to inside diameter of such hollow fiber membranes is preferably between about 1.15 and about 2.50, more preferably between about 1.25 and 1.70. In the case of asymmetric or composite membranes, the separation layer is preferably less than about 10 micrometers, more preferably less than about 1 micrometer, even more preferably less than about 0.5 micrometers. The separation layer in asymmetric or composite membranes can be located on the outer surface or the inner surface of the hollow fiber membrane.

Die Membran kann in eine Vielzahl von Gestaltungen aufgenommen sein. Flachfolien- bzw. Flachfilmmembrane können entweder in einer Platten- und Rahmen- oder in einer Spiralwick lungsvorrichtung verwendet werden. Hohlfaser- und Röhrenvorrichtungen können ebenso verwendet werden. Im Falle von Hohlfaservorrichtungen kann das zu trennende Gemisch in die Bohrungen der Hohlfasern eingeführt bzw. extern bezüglich der Hohlfasern angeordnet werden. Allgemein werden derartige Hohlfasermembrane zu Hohlfaserbündeln geformt, wie in den U.S.- Patenten 3 228 876; 3 422 008; und 4 881 955 beschrieben. Die Hohlfasern können vorgespannt oder spiralförmig um einen Mittenkern bzw. parallel in dem Hohlfaserbündel mit oder ohne einem Kern angeordnet sein. Der Kern kann perforiert sein, wodurch ermöglicht wird, daß der Kern dazu verwendet wird, Gas extern der Hohlfasern zu sammeln bzw. zu verteilen. Der Kern kann zum Aufnehmen von Änderungen der Faserlänge mit der Temperatur flexibel bzw. klappbar sein. Siehe, beispielsweise, das U.S.-Patent 5 026 479. Vorzugsweise weist jede der Hohlfasern eine Wanddicke, einen Außen- und Innendurchmesser, Längen, eine Trennschichtdicke und weitere Eigenschaften innerhalb eines engen Spielraums auf, da eine deutliche Änderung der Fasereigenschaften die Gesamtleistung verringern kann. Änderungen von weniger als 5 Prozent derartiger Eigenschaften sind bevorzugt. Typischerweise ist ein Rohrboden an jedem Ende des Hohlfaserbündels vorhanden, jedoch sind auch andere Gestaltungen, wie eine einzelne mittlere Rohrböden, möglich. Der Rohrboden kann aus jeglichen Harz hergestellt sein, welches die gewünschte mechanische Festigkeit bei den Betriebstemperaturen beibehalten kann. Epoxydharze, Polyurethanharze oder Elastomere werden allgemein als Rohrbodenmaterialien bevorzugt.The membrane can be incorporated into a variety of designs. Flat foil or flat film membranes can be either in a plate and frame or in a spiral winding Hollow fiber and tubular devices may also be used. In the case of hollow fiber devices, the mixture to be separated may be introduced into the bores of the hollow fibers or may be located externally of the hollow fibers. Generally, such hollow fiber membranes are formed into hollow fiber bundles as described in U.S. Patents 3,228,876; 3,422,008; and 4,881,955. The hollow fibers may be prestressed or spiraled around a central core or arranged parallel in the hollow fiber bundle with or without a core. The core may be perforated, allowing the core to be used to collect or distribute gas externally of the hollow fibers. The core may be flexible or collapsible to accommodate changes in fiber length with temperature. See, for example, U.S. Patent 5,026,479. Preferably, each of the hollow fibers has a wall thickness, outside and inside diameters, lengths, interface thickness, and other properties within a narrow range, since a significant change in fiber properties can reduce overall performance. Changes of less than 5 percent in such properties are preferred. Typically, a tubesheet is present at each end of the hollow fiber bundle, but other designs, such as a single center tubesheet, are possible. The tubesheet can be made of any resin that can maintain the desired mechanical strength at operating temperatures. Epoxy resins, polyurethane resins, or elastomers are generally preferred as tubesheet materials.

Wird das Membranmodul wiederholten Kühl- und Wärme-Zyklen unterzogen, so müssen bezüglich der verschiedenen Raten von Wärmeausdehnung der Komponententeile Vorkehrungen getroffen werden. Alternativ hierzu können die Materialien, welche bei dem Aufbau des Moduls verwendet werden, derart gewählt werden, daß die Abmessungsänderungen bei Kühlen und Erwärmen die Membranelemente nicht übermäßig beanspruchen und schädigen. Druck- und Zugkräfte bzw. Spannungen bezüglich der Komponenten einer Membranvorrichtung können bei einem Niedrigtemperaturbetrieb und/oder einem Durchlauf niedriger/hoher Temperatur erzeugt werden. Die Ursache derartiger Kräfte und Spannungen kann der große Unterschied bezüglich der Koeffizienten einer linearen Wärmeexpansion (CLTE) der verschiedenen bei der Herstellung einer Membranvorrichtung verwendeten Materialien sein. Herkömmlicherweise wurden bei der Herstellung von Membranvorrichtungen Metalle für den Behälter bzw. das Gehäuse bzw. das optionale Kernrohr verwendet, während Duroplaste, wie Epoxide, für den Rohrboden und thermoplastische Materialien typischerweise für die Membrane verwendet wurden. Die bei derartigen Vorrichtungen verwendeten Versiegelungen sind gewöhnlicherweise Butadienelastomere, wie Nitrilgummi. Die CLTE- Werte der meisten Materialien sind typischerweise kleiner als 2,5 · 10&supmin;&sup5; cm/cmºC. Die bei Membranvorrichtungen verwendeten Gummi, Duroplaste bzw. Thermoplaste weisen typischerweise CLTE-Werte im Bereich von 3,0 bis 10,0 · 10&supmin;&sup5; cm/cmºC auf.If the membrane module is subjected to repeated cooling and heating cycles, provisions must be made for the different rates of thermal expansion of the component parts. Alternatively, the materials used in the construction of the module can be selected so that that the dimensional changes during cooling and heating do not unduly stress and damage the membrane elements. Compressive and tensile forces or stresses on the components of a membrane device can be generated during low temperature operation and/or low/high temperature cycling. The cause of such forces and stresses can be the large difference in the coefficients of linear thermal expansion (CLTE) of the various materials used in the manufacture of a membrane device. Traditionally, membrane devices have been manufactured using metals for the vessel or housing or optional core tube, while thermosets such as epoxies have been used for the tube sheet and thermoplastic materials have typically been used for the membrane. The seals used in such devices are usually butadiene elastomers such as nitrile rubber. The CLTE values of most materials are typically less than 2.5 x 10-5 cm/cmºC. The rubber, thermoset or thermoplastic materials used in membrane devices typically have CLTE values in the range of 3.0 to 10.0 x 10-5 cm/cmºC.

Existieren große Unterschiede hinsichtlich CLTE-Werten zwischen Komponententeilen, so kann ein Betrieb bei niedriger Temperatur Umfangsrisse an der Kernrohr/Rohrboden-Grenzfläche sowie an der Membran/Rohrboden-Grenzfläche bewirken. In extremen Fällen können sich die Membrane tatsächlich von dem Rohrboden lösen, da die thermoplastischen Membrane schneller schrumpfen als das Metallkernrohr. Die Verwendung eines Kunststoffkernrohrs mit einem CLTE-Wert ähnlich dem CLTE-Wert thermoplastischer Membrane bzw. die Verwendung eines klappbaren Kernrohrs verringert bzw. eliminiert dieses Problem deutlich. Alternativ ermöglicht ein längeres Gestalten der Membranlänge als der Abstand zwischen den Rohrböden ein Schrumpfen der Membran, ohne Spannung zu erzeugen.If there are large differences in CLTE values between component parts, low temperature operation can cause circumferential cracking at the core tube/tubesheet interface as well as at the membrane/tubesheet interface. In extreme cases, the membranes can actually separate from the tubesheet because the thermoplastic membranes shrink faster than the metal core tube. Using a plastic core tube with a CLTE value similar to the CLTE value of thermoplastic membranes or using a hinged core tube significantly reduces or eliminates this problem. Alternatively, making the membrane length longer than the distance between the tubesheets allows the membrane to shrink without creating stress.

Typischerweise ist die Versiegelung zwischen dem Membranmodul und dem Behälter bzw. Gehäuse ein O-Ring bzw. eine Dichtung, welcher bzw. welche aus einem elastomeren Material, wie Nitrilgummi, gebildet ist. Die Betriebsgrenze für die meisten auf Butadien basierenden Elastomere beträgt -40ºC. Unterhalb -40ºC sollten Versiegelungen aus Alternativmaterialien vorzugsweise verwendet werden, wie O-Ringe bzw. Dichtungen aus Silikongummi, Derivaten von Silikongummi, wie phenylsubstituierter Silikongummi, bzw. Metall, wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Alternative Gestaltungen, wie ein integrierter Behälter/Rohrboden, welche den Bedarf an O-Ringen bzw. Dichtungen eliminieren würden, können ebenso verwendet werden.Typically, the seal between the membrane module and the vessel or housing is an O-ring or gasket formed from an elastomeric material such as nitrile rubber. The operating limit for most butadiene-based elastomers is -40ºC. Below -40ºC, seals made from alternative materials should preferably be used, such as O-rings or gaskets made from silicone rubber, derivatives of silicone rubber such as phenyl substituted silicone rubber, or metal such as aluminum or an aluminum alloy. Alternative designs such as an integrated vessel/tube sheet, which would eliminate the need for O-rings or gaskets, can also be used.

Ein Kühlen der Vorrichtung von Umgebungstemperatur auf die niedrige Betriebstemperatur kann ein Austreten zwischen dem Behälter und dem Rohrboden bewirken, da der Rohrboden schneller schrumpft als der Behälter. Es sind zahlreiche Lösungen für dieses Problem möglich, wie eine geeignete Bemessung des O-Rings bzw. der Dichtung, bzw. die Verwendung eines Gefäßes auf einem Material mit einer engeren Übereinstimmung zwischen CLTE und dem Rohrboden. In einigen Fällen könnte es notwendig sein, die Standardmaterialien zur Herstellung des Rohrbodens, das heißt, Epoxyd- bzw. Urethanharze, abzuwandeln. Mischungen mit Materialien, welche für einen Betrieb bei niedriger Temperatur geeigneter sind, könnten notwendig sein. Silikongummi bzw. Silikongummiderivate können mit dem Epoxid bzw. dem Urethan gemischt werden. In extremen Fällen kann der Standardrohrboden aus Epoxid bzw. Urethan vollkommen durch verbesserte Niedrigtemperaturmaterialien, wie Silikonelastomere bzw. Elastomere aus Silikonderivaten, ersetzt werden.Cooling the device from ambient temperature to the low operating temperature can cause leakage between the vessel and the tubesheet because the tubesheet shrinks faster than the vessel. Numerous solutions to this problem are possible, such as proper sizing of the O-ring or gasket, or using a vessel made of a material with a closer match between CLTE and the tubesheet. In some cases it may be necessary to modify the standard materials used to make the tubesheet, i.e. epoxy or urethane resins. Blends with materials more suitable for low temperature operation may be necessary. Silicone rubber or silicone rubber derivatives can be blended with the epoxy or urethane. In extreme cases the standard epoxy or urethane tubesheet can be completely replaced with improved low temperature materials such as silicone elastomers or silicone derivative elastomers.

Bei einem Ausführungsbeispiel wird das zu trennende Einspeisungsgasgemisch in die Bohrungen von Hohlfasern einge führt, und durch die Faserwände permeierendes Gas fließt generell im wesentlichen in einer Gegenstromrichtung bezüglich des Gasgemisches in den Fasern. Die U.S.-Patente 4 871 379; 4 929 259; 4 961 760; und 5 013 437 beschreiben erläuternde Vorrichtungen. Siehe ferner die U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/769 040, eingereicht am 30. September 1991. Ein Gegenstromfluß des permeierenden Gases kann durch konzentrische, nicht permeierbare Ummantelungen in dem Bündel gefördert werden. Derartige Ummantelungen können sich ausgehend von dem Rohrboden erstrecken, durch welchen das Nicht-Permeatgas in den Bohrungen der Hohlfasern aus der Faser austritt. Ist das Ende der Ummantelungen in den Rohrboden eingebettet, so sollte das Ummantelungsmaterial derart gewählt werden, daß eine gute Haftung zwischen der Ummantelung und dem Rohrboden bei niedrigen Betriebstemperaturen besteht; ansonsten kann es zu einem Ablösen kommen. Bezüglich Epoxidrohrbodenmaterialien können geeignete Ummantelungsmaterialien Polyvinylchlorid und Azetatfilme umfassen. Die Ummantelungen enden vorzugsweise nahe, jedoch nicht in Berührung mit dem gegenüberliegenden Rohrboden, durch welchen Einspeisungsgas eingeführt wird. Durch die Wände der Hohlfasern permeierendes Gas kann in eine Hohlfaser bzw. einen Kern in dem Bündel durch ein Loch bzw. durch Löcher in dem Rohr nahe dem Rohrboden, durch welchen Einspeisungsgas eingeführt wird, eintreten.In one embodiment, the feed gas mixture to be separated is introduced into the holes of hollow fibers and gas permeating through the fiber walls generally flows in a substantially countercurrent direction with respect to the gas mixture in the fibers. U.S. Patents 4,871,379; 4,929,259; 4,961,760; and 5,013,437 describe illustrative devices. See also U.S. Patent Application Serial No. 07/769,040, filed September 30, 1991. Countercurrent flow of the permeating gas can be promoted by concentric non-permeable jackets in the bundle. Such jackets can extend from the tubesheet through which the non-permeate gas exits the fiber in the bores of the hollow fibers. If the end of the jackets is embedded in the tubesheet, the jacket material should be selected so that there is good adhesion between the jacket and the tubesheet at low operating temperatures; otherwise, delamination may occur. With respect to epoxy tubesheet materials, suitable cladding materials may include polyvinyl chloride and acetate films. The claddings preferably terminate near, but not in contact with, the opposite tubesheet through which feed gas is introduced. Gas permeating through the walls of the hollow fibers may enter a hollow fiber or core in the bundle through a hole or holes in the tube near the tubesheet through which feed gas is introduced.

Bei einigen Ausführungsbeispielen kann es erwünscht sein, eine Membranvorrichtung zu verwenden, welche geeignet ist, ein Spülfluid aufzunehmen. Siehe hierzu U.S.-Patente 4 961 760; 5 013 437 und 5 026 479 als Beispiele für derartige Vorrichtungen. Derartige Membranvorrichtungen weisen einen Einlaß für das Spülfluid auf, welches vorzugsweise ein Gas ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann ein Teil oder die Gesamtheit des Permeatgases oder des Nicht-Permeatgases als das Spülgas verwendet werden. Das Spülfluid strömt vorzugsweise in einer Richtung, welche zu der Strömungsrichtung des Einspeisungs- Gasgemisches innerhalb der Vorrichtung im wesentlichen entgegengerichtet ist.In some embodiments, it may be desirable to use a membrane device adapted to receive a purge fluid. See U.S. Patents 4,961,760; 5,013,437 and 5,026,479 as examples of such devices. Such membrane devices have an inlet for the purge fluid, which is preferably a gas. In some embodiments, part or all of the permeate gas or the non-permeate gas may be used as the purge gas. The purge fluid preferably flows in a Direction which is substantially opposite to the flow direction of the feed gas mixture within the device.

Einfach- oder Mehrfachmembranelemente können in Reihe, parallel, in Kaskade oder in Rückführungs-Anordnung angeordnet sein. Mehrfachmembranvorrichtungen können parallel angeordnet sein, so daß das Einspeisungs-Gasgemisch geteilt wird und ein Teil des Einspeisungs-Gasgemisches zu jeder Membranvorrichtung gesendet wird. Permeat- und Nicht-Permeatströme von jeder Vorrichtung können mit ähnlichen Strömen von den anderen Vorrichtungen kombiniert werden. Mehrfachmembranvorrichtungen können auch in Reihe angeordnet sein, so daß der Nicht-Permeatstrom höheren Drucks von einer Vorrichtung den Einspeistungsstrom höheren Drucks für die andere Vorrichtung liefert. Alternativ können Mehrfachmembranvorrichtungen in Kaskade angeordnet sein, so daß der Permeatstrom niedrigeren Drucks von einer Vorrichtung der Einspeistungsstrom höheren Drucks für eine andere Vorrichtung ist. Einfach- oder Mehrfachvorrichtungen können für einen Rückführungsbetrieb angeordnet sein, so daß ein Teil des Permeat- oder Nicht-Permeatstroms von einer Vorrichtung rückgeführt werden kann, um als ein Teil eines Einspeisungsstroms für die gleiche Vorrichtung oder eine andere Vorrichtung verwendet zu werden. Beispielsweise beschreiben S. T. Hwang und J. M. Thorman in AIChE Journal, Vol. 26, Nr. 4, Seiten 558-566 (1980), die Verwendung von Mehrfachmembranvorrichtungen, welche in einer kontinuierlichen Membransäulenanorndung angeordnet sind. S. A. Stern, J. E. Perrin und E. J. Naimon beschreiben im Journal of Membrane Science, Vol. 20, Seiten 25-43 (1984), die Verwendung von Rückführungs- und Mehrfachpermeatorsystemen. J. E. Perrin und S. A. Stern beschreiben im AIChE Journal, Vol. 32, Seiten 1889-1901 (1986), die Verwendung von Membransystemen, welche mit zwei verschiedenen Membranmaterialien arbeiten, um die Trennleistung zu verbes sern. Es ist ebenfalls möglich, eine Vielzahl von Anordnungen innerhalb eines Membranmoduls zu verwenden. Beispielsweise beschreiben M. Sidhoum, S. Majumdar und K. K. Sirkar im AIChE Journal, Vol. 35, Seiten 764-774 (1989) ein intern gestuftes Hohlfasermodul, welches zwei Membrane in der gleichen Vorrichtung verwendet. Andere Anordungen von Membranvorrichtungen sowie Kombinationen der vorhergehenden Anordnungen von Mehrfachmembranvorrichtungen sind möglich. Das Membranmaterial bzw. die Zusammensetzung, welche in einem Element, einer Vorrichtung bzw. in einer Stufe verwendet werden, können von dem Membranmeterial bzw. der Zusammensetzung, welche in einem anderen Element, einer anderen Vorrichtung bzw. einer anderen Stufe verwendet werden, verschieden sein. Das U.S.-Patent 4 894 068 beschreibt ein System, welches Membranelemente in Reihe verwendet. Ein Einfachmembranelement kann durch Baffles unterteilt werden, um eine Vielzahl von Trennungsabschnitten zu liefern, welche in Reihe angeordnet werden können, um eine höhere Reinheit zu erreichen, oder parallel angeordnet werden können, um einen variablen Fluß zu erhalten. Beispiele für derartige Vorrichtungen sind in den U.S.-Patenten 5 013 437 und 5 013 331 zu finden.Single or multiple membrane elements can be arranged in series, parallel, cascade or in recycle configuration. Multiple membrane devices can be arranged in parallel so that the feed gas mixture is split and a portion of the feed gas mixture is sent to each membrane device. Permeate and non-permeate streams from each device can be combined with similar streams from the other devices. Multiple membrane devices can also be arranged in series so that the higher pressure non-permeate stream from one device provides the higher pressure feed stream to the other device. Alternatively, multiple membrane devices can be arranged in cascade so that the lower pressure permeate stream from one device is the higher pressure feed stream to another device. Single or multiple devices can be arranged for recycle operation so that a portion of the permeate or non-permeate stream from one device can be recycled to be used as a portion of a feed stream to the same device or another device. For example, ST Hwang and JM Thorman in AIChE Journal, Vol. 26, No. 4, pages 558-566 (1980) describe the use of multiple membrane devices arranged in a continuous membrane column arrangement. SA Stern, JE Perrin and EJ Naimon in Journal of Membrane Science, Vol. 20, pages 25-43 (1984) describe the use of recycle and multiple permeator systems. JE Perrin and SA Stern in AIChE Journal, Vol. 32, pages 1889-1901 (1986) describe the use of membrane systems using two different membrane materials to improve separation efficiency. It is also possible to use a variety of arrangements within a membrane module. For example, M. Sidhoum, S. Majumdar and KK Sirkar in AIChE Journal, Vol. 35, pages 764-774 (1989) describe an internally staged hollow fiber module which uses two membranes in the same device. Other arrangements of membrane devices as well as combinations of the foregoing arrangements of multiple membrane devices are possible. The membrane material or composition used in one element, device or stage may be different from the membrane material or composition used in another element, device or stage. U.S. Patent 4,894,068 describes a system which uses membrane elements in series. A single membrane element can be divided by baffles to provide a plurality of separation sections which can be arranged in series to achieve higher purity or in parallel to obtain variable flow. Examples of such devices can be found in U.S. Patents 5,013,437 and 5,013,331.

Die bevorzugten glasartigen Polymermembrane weisen nicht notwendigerweise selektive Trennungen bei sämtlichen Komponenten von Gasgemischen auf. Um die Beschreibung von zu trennenden Komponentengasen zu vereinfachen, ist es angebracht, Paare von Gasen zu betrachten. Unbedeutendere Komponenten und Verunreinigungen, welche die physische Integrität bzw. das Verhalten der Membran nicht schädlich beeinflussen, können ebenfalls in derartigen Gasgemischen vorhanden sein, jedoch werden der Einfachheit halber im weiteren die Hauptkomponentengaspaare erörtert. Die Membrane sind nützlich zum Trennen vorzugsweise mindestens eines der folgenden Komponentengase aus einem Gasgemisch: Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampfammoniak, Wasserstoffsulfid, Stickstoffoxide, Schwefeloxide oder leichte Kohlenwasserstoffe. Leichte Kohlenwasserstoffe, wie sie hier verwendet werden, beziehen sich auf gasförmige gesättigte und ungesättigte C1-5-Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Propan, Propen, Propin, Propadien, n-Butan, 2- Methylpropan, 2-Buten, 1-Buten, 2-Butin, 1-Butin, 1,3- Butadien, 1,2-Butadien, n-Pentan, Cyclopentan, 2-Methyl-2- Buten, 3-Methyl-1-Buten, 2-Methyl-1-Buten, 2-Penten, 1-Penten, 2-Methyl-1,3-Butadien, 3-Methyl-1,2-Butadien, 2,3-Pentadien, 1,4-Pentadien, 1,3-Pentadien, 1,2-Pentadien, 3-Methyl-1-Butin, 2-Pentin, 1-Pentin, und 2-Methylpropan.The preferred glassy polymer membranes do not necessarily exhibit selective separations of all components of gas mixtures. To simplify the description of component gases to be separated, it is convenient to consider pairs of gases. Minor components and impurities that do not deleteriously affect the physical integrity or performance of the membrane may also be present in such gas mixtures, but for simplicity, the major component gas pairs will be discussed below. The membranes are useful for separating preferably at least one of the following component gases from a gas mixture: hydrogen, helium, oxygen, nitrogen, argon, Carbon monoxide, carbon dioxide, steam ammonia, hydrogen sulfide, nitrogen oxides, sulfur oxides or light hydrocarbons. Light hydrocarbons as used herein refer to gaseous saturated and unsaturated C1-5 hydrocarbons such as methane, ethane, ethene, ethyne, propane, propene, propyne, propadiene, n-butane, 2-methylpropane, 2-butene, 1-butene, 2-butyne, 1-butyne, 1,3-butadiene, 1,2-butadiene, n-pentane, cyclopentane, 2-methyl-2-butene, 3-methyl-1-butene, 2-methyl-1-butene, 2-pentene, 1-pentene, 2-methyl-1,3-butadiene, 3-methyl-1,2-butadiene, 2,3-pentadiene, 1,4-pentadiene, 1,3-pentadiene, 1,2-pentadiene, 3-methyl-1-butyne, 2-pentyne, 1-pentyne, and 2-methylpropane.

Es wird angenommen, daß die glasartige Polymermembran höchst wirksam ist beim Trennen von Gaspaaren, wenn ein Gas des Paars sowohl eine höher Löslichkeit in dem glasartigen Polymer als auch eine höhere Diffusionsfähigkeit durch das glasartige Polymer aufweist. Dies ist der Fall bei Gemischen aus Sauerstoff und Stickstoff sowie aus Kohlendioxid und leichtem Kohlenwasserstoff. Weitere Gaspaare sind möglich, selbst wenn sie nicht diese gewünschte Beziehung aufweisen. Beispielsweise weisen Wasserstoff oder Helium und leichter Kohlenwasserstoff, welche vorteilhaft durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung getrennt werden können, nicht diese gewünschte Beziehung zwischen der Lösbarkeit und der Diffusionsfähigkeit auf. Generell sind die löslicheren Komponentengase polarisierbarer bzw. polar, was durch den Siedepunkt, Messungen der kritischen Temperatur bzw. andere herkömmliche Techniken gezeigt werden kann. Die Diffusionsfähigkeit steht in Zusammenhang mit der Größe des Gasmoleküls, wobei kleinere Gasmoleküle generell schneller diffundieren als größere Gasmoleküle. Bevorzugte Gaspaare, welche unter Verwendung glasartiger Polymermembrane bei niedrigen Temperaturen leicht getrennt werden können, umfassen: (1) Sauerstoff und Stickstoff, wie beispielsweise in Luft vorhanden, (2) Kohlendioxid, optional mit anderen sauren Gasen, wie H&sub2;S, SOx oder NOx, und leichten Kohlenwasserstoff, (3) Sauerstoff und Argon, Stickstoff und Methan und (5) Wasserstoff und Methan. Eine Trennung von Gemischen aus Sauerstoff und Stickstoff und Gemischen aus Kohlendioxid und einem leichten Kohlenwasserstoff ist besonders bevorzugt.It is believed that the glassy polymer membrane is most effective at separating gas pairs when one gas of the pair has both higher solubility in the glassy polymer and higher diffusivity through the glassy polymer. This is the case with mixtures of oxygen and nitrogen and carbon dioxide and light hydrocarbon. Other gas pairs are possible even if they do not have this desired relationship. For example, hydrogen or helium and light hydrocarbon, which can be advantageously separated by the process of the present invention, do not have this desired relationship between solubility and diffusivity. In general, the more soluble component gases are more polarizable or polar, which can be demonstrated by boiling point, critical temperature measurements or other conventional techniques. Diffusivity is related to the size of the gas molecule, with smaller gas molecules generally diffusing faster than larger gas molecules. Preferred gas pairs which can be easily separated using glassy polymer membranes at low temperatures include: (1) oxygen and nitrogen, as in Air is present, (2) carbon dioxide, optionally with other acidic gases such as H₂S, SOx or NOx, and light hydrocarbon, (3) oxygen and argon, nitrogen and methane, and (5) hydrogen and methane. Separation of mixtures of oxygen and nitrogen and mixtures of carbon dioxide and a light hydrocarbon is particularly preferred.

Weitere Gaspaare, welche nicht vollständig bewertet wurden, von denen jedoch angenommen wird, daß diese sich für eine Trennung durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignen, umfassen: (1) Wasserstoff oder Helium und ein oder mehrere Gase, ausgewählt aus Stickstoff, Ammoniak, Kohlendioxid und einem leichten Kohlenwasserstoff; (2) Stickstoff und ein oder mehrere Gase, ausgewählt aus Argon, Methan oder einem Gemisch aus leichten Kohlenwasserstoffen; (3) Wasserstoffchlorid und Chlor; (4) Methan und C&sub2; oder C&sub3; Alkane bzw. Alkene; und (5) Ethan and Ethylen.Other gas pairs which have not been fully evaluated but are believed to be suitable for separation by the process of the present invention include: (1) hydrogen or helium and one or more gases selected from nitrogen, ammonia, carbon dioxide and a light hydrocarbon; (2) nitrogen and one or more gases selected from argon, methane or a mixture of light hydrocarbons; (3) hydrogen chloride and chlorine; (4) methane and C2 or C3 alkanes or alkenes, respectively; and (5) ethane and ethylene.

Das Einspeisungs-Gasgemisch sollte vorteilhafterweise frei von Verunreinigungen sein, welche die physische Integrität bzw. das Verhalten der Membran, andere Teile der Membranvorrichtung oder die Systemapparatur ungünstig beeinflussen. Beispielsweise können bestimmte Verunreinigungen ein Membranverhalten oder Systemkomponenten über die Zeit schädlich beeinflussen. Verunreinigungen bzw. Unreinheiten, welche in dem Einspeisungs-Gasstrom zu einer Membranvorrichtung vorhanden sind, können eine Vielzahl von Leistungsverlustwirkungen hervorrufen. Beispielsweise beschreibt H. Finken in Material Science of Synthetic Membranes, ACS Symposium Reihe Nr. 269, American Chemical Society, Washington, D. C., Seite 229 (1984), die Wirkungen hoher Konzentrationen von Kohlendioxid, welches in einer Membran gelöst ist, auf das Verhalten der Membran. E. Sanders liefert im Journal of Membrane Science, Vol. 37, Seiten 63-80 (1988), zusätzliche Informationen bezüglich einer Kohlendioxidaussetzung. Diese Wirkungen werden generell als Transportplastifizierung bezeichnet. Typischerweise weist eine Membran, welche eine Transportplastifizierung erfahren hat, eine verminderte Selektivität und eine erhöhte Permeabilität eines oder mehrerer Gase auf. Bei niedriger Temperatur ist die Konzentration von gelöstem Gas (welches eine Transportplastifizierung in einer Membran bewirken kann) generell höher für einen gegebenen Gasphasenpartialdruck dieses Gases. Dies führt zu einer erhöhten Anfälligkeit gegen Transportplastifizierungswirkungen bei niedrigen Temperaturen. Diese Wirkungen können hervorgerufen werden durch Verunreinigungen oder Unreinheiten in dem Einspeisungs-Gasstrom oder, in manchen Fällen, durch eines der Primärstrom-Komponentengase, welche zu trennen sind.The feed gas mixture should advantageously be free of contaminants that may adversely affect the physical integrity or performance of the membrane, other parts of the membrane device, or the system equipment. For example, certain contaminants may adversely affect membrane performance or system components over time. Contaminants present in the feed gas stream to a membrane device can cause a variety of performance degradation effects. For example, H. Finken in Material Science of Synthetic Membranes, ACS Symposium Series No. 269, American Chemical Society, Washington, DC, page 229 (1984), describes the effects of high concentrations of carbon dioxide dissolved in a membrane on membrane performance. E. Sanders in Journal of Membrane Science, Vol. 37, pages 63-80 (1988), provides additional information regarding Carbon dioxide exposure. These effects are generally referred to as transport plasticization. Typically, a membrane that has undergone transport plasticization will exhibit reduced selectivity and increased permeability to one or more gases. At low temperature, the concentration of dissolved gas (which can cause transport plasticization in a membrane) is generally higher for a given gas phase partial pressure of that gas. This leads to increased susceptibility to transport plasticization effects at low temperatures. These effects may be caused by contaminants or impurities in the feed gas stream or, in some cases, by one of the primary stream component gases to be separated.

Eine zusätzliche Klasse von Verunreinigungsproblemen ergibt sich aus Porenverstopfungswirkungen oder kompetitiver Sorption und Diffusionswirkungen. Diese Wirkungen führen zu einer Abnahme der Permeabilität der Membran. Diese Wirkungen sind ebenfalls generell größer bei niedrigeren Temperaturen. Beispielsweise berichten K. H. Lee und S. T. Hwang, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 110, Seiten 544-554 (1986) über Beispiele von Porenverstopfung durch kondensierbare Dämpfe. Diese Poren können sich in der porösen Trägerschicht einer Membran befinden. Dieser Mechanismus kann auch in dem größeren freien Volumenelementen in einem glasartigen Polymer wirksam werden. Diese Wirkung erzeugt typischerweise eine Verringerung der Permeabilität durch die Membran.An additional class of fouling problems arises from pore-clogging effects or competitive sorption and diffusion effects. These effects lead to a decrease in the permeability of the membrane. These effects are also generally greater at lower temperatures. For example, K. H. Lee and S. T. Hwang, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 110, pages 544-554 (1986) report examples of pore clogging by condensable vapors. These pores can be located in the porous support layer of a membrane. This mechanism can also operate in the larger free volume elements in a glassy polymer. This effect typically produces a decrease in the permeability through the membrane.

Es ist daher wichtig, eine angemessene Vorbehandlung von Gaseinspeisungsströmen zu Membranen vorzusehen, welche bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Diese Vorbehandlung sollte vorzugsweise eine Entfernung von Verunreinigungen bzw. Unreinheiten umfassen, welche die Selektivität oder die Gaspermeabilität der Membran schädlich beeinflussen.It is therefore important to provide adequate pretreatment of gas feed streams to membranes operating at low temperatures. This pretreatment should preferably include removal of impurities or Impurities that adversely affect the selectivity or gas permeability of the membrane.

Es wird angenommen, daß bestimmte Kohlenwasserstoffe, Kompressoröle, Glykole, Ölfeldzusätze, Surfactante, Quecksilber und Festteilchen oder Flüssigkeitströpfchen, welche größer sind als 1 Mikrometer, einige Membranen, welche bei der Trennung von Gasen verwendet werden, verunreinigen können. Wasser oder andere kondensierbare Stoffe können gefrieren und Durchgänge und Räume verstopfen oder die wirksame Membranfläche verringern oder Wärmetauschfähigkeiten beeinträchtigen. Es kann bei manchen Anwendungen erforderlich oder erwünscht sein, aus dem Einspeisungs-Gasgemisch Wasserstoffsulfid, Wasserstoffchlorid, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Chlor, Mercaptane, Carbonylsulfid und andere saure oder korrosive Verunreinigungen zu entfernen, bevor das Gemisch mit der Membranvorrichtung in Kontakt gelangt. Die Komponenten des Gasgemisches sollten das glasartige Polymer nicht bedeutend zu einem schädlichen Grad plastifizieren oder aufquellen. Folglich sollten bestimmte Gaskomponenten, wie etwa Kohlendioxid, nicht in Mengen vorhanden sein, welche die Membran übermäßig plastifizieren oder anderweitig schädlich beeinflussen. Verschiedene Membrane vertragen Plastifizierungsmittel und Verunreinigungen mehr oder weniger gut.It is believed that certain hydrocarbons, compressor oils, glycols, oil field additives, surfactants, mercury, and solid particles or liquid droplets larger than 1 micron can foul some membranes used in the separation of gases. Water or other condensables can freeze and clog passages and spaces or reduce the effective membrane area or impair heat exchange capabilities. It may be necessary or desirable in some applications to remove hydrogen sulfide, hydrogen chloride, nitrogen oxides, sulfur oxides, chlorine, mercaptans, carbonyl sulfide, and other acidic or corrosive contaminants from the feed gas mixture before the mixture contacts the membrane device. The components of the gas mixture should not significantly plasticize or swell the glassy polymer to a detrimental degree. Consequently, certain gas components, such as carbon dioxide, should not be present in amounts that would excessively plasticize or otherwise have a detrimental effect on the membrane. Different membranes tolerate plasticizers and contaminants more or less well.

Daher umfassen das Verfahren und die Vorrichtung optional eine Einrichtung zur Verringerung von Verunreinigungen, insbesondere solcher Verunreinigungen mit einem schädlichen Einfluß auf die physische Integrität oder das Verhalten der Membran, aus dem Einspeisungs-Gasstrom zu dem Verfahren. Derartige Verunreinigungen lassen sich in Korrosionsmittel, Teilchen bzw. kondensierbare Stoffe einteilen. Korrosionsmittel sind Verbindungen, welche der Verfahrenseinrichtung schaden, indem diese damit reagieren. Einigen Einrichtungen können aus einem korro sionsbeständigen Material hergestellt sein. Jedoch müssen Teile von Einrichtungen aus bestimmten Materialien hergestellt sein, und Korrosionsmittel, welche diese Materialien angreifen, sollten entfernt werden. Solche korrosiven Verunreinigungen können Kohlendioxid, Schwefeloxide, Stickstoffoxide, Wasserstoffsulfid, Chlor, Chlorwasserstoff, Acetylen, Mercaptane, Carbonylsulfid und ähnliches enthalten. Teilchen oder Feinteilchen, welche in einem Gasstrom mitgeführt werden und Wärmtetauscherdurchgänge verstopfen können, verstopfen Fasern in einer Hohlfaser-Membranvorrichtung oder Poren in dem Membranenmaterial. Teilchen können ferner eine mechanische Erosion bzw. Abrieb an der Verfahrenseinrichtung mit beweglichen Teilen, wie Kompressoren, Espansionsvorrichtungen und Gebläsen, verursachen. Vorzugsweise werden Teilchen mit einer Größe von mehr als 1 Mikrometer durch eine Vorbehandlung entfernt. Kondensierbare Stoffe sind Verbindungen, welche aus einem Gasstrom bei der gewünschten Betriebstemperatur kondensieren oder gefrieren können. Kondensierbare Stoffe verringern ferner eine Wärmetauscher-Wärmübertragung stark. Verfahren können in der Lage sein, eine bestimmte Menge von Flüssigkeitskondensation zu vertragen, wobei dies insbesondere dann der Fall ist, wenn die Einrichtung ausgerichtet ist und Austrittsöffnungen vorgesehen sind, so daß derartige Flüssigkeiten aus der Einrichtung ablaufen können. Jedoch verursachen feste kondensierte Verbindungen die gleichen Probleme wie Teilchen, und es kommt leicht zu einer schnelleren Anhäufung. Derartige kondensierbaren Stoffe können Wasserdampf, Kohlendioxidhydrate, Kohlenwasserstoffe und beliebige weitere Komponenten umfassen, welche in einer Menge vorhanden sind, welche den Dampfdruck davon bei einem beliebigen Punkt in dem Verfahren überschreitet.Therefore, the method and apparatus optionally include means for reducing contaminants, particularly those contaminants having a detrimental effect on the physical integrity or performance of the membrane, from the feed gas stream to the process. Such contaminants can be classified as corrosives, particulates, or condensables. Corrosives are compounds that damage the process equipment by reacting with it. Some equipment can be made from a corrosive sion resistant material. However, parts of equipment must be made of certain materials and corrosives which attack these materials should be removed. Such corrosive contaminants may include carbon dioxide, sulfur oxides, nitrogen oxides, hydrogen sulfide, chlorine, hydrogen chloride, acetylene, mercaptans, carbonyl sulfide and the like. Particles or fines which are entrained in a gas stream and can clog heat exchanger passages, clog fibers in a hollow fiber membrane device or pores in the membrane material. Particles can also cause mechanical erosion or abrasion of process equipment having moving parts such as compressors, expansion devices and fans. Preferably, particles larger than 1 micron in size are removed by pretreatment. Condensables are compounds which can condense or freeze from a gas stream at the desired operating temperature. Condensables also greatly reduce heat exchanger heat transfer. Processes may be able to tolerate a certain amount of liquid condensation, particularly if the equipment is oriented and outlets are provided so that such liquids can drain from the equipment. However, solid condensed compounds cause the same problems as particles and tend to accumulate more quickly. Such condensables may include water vapor, carbon dioxide hydrates, hydrocarbons and any other components present in an amount exceeding the vapor pressure thereof at any point in the process.

Verunreinigungen können aus dem Verfahren entfernt werden durch eine beliebige herkömmliche Einrichtung. Kondensierbare Substanzen können entfernt werden durch Kondensation in einer dafür speziell ausgelegten Verfahrenseinrichtung. Beispielsweise kann Wasserdampf aus Luft durch Kühlen der Luft kondensiert werden, wobei anschließend die gekühlte Luft in einen Trennbehälter eingeleitet wird. Eine weitere Einrichtung kann die kondensierbaren Stoffe entfernen, während ein Strom gekühlt wird; rekuperative Wärmetauscher, welche in kryogenischen Lufttrennungsanlagen verwendet werden, kühlen Luft, während zugelassen wird, daß Kohlendioxid und Wasser an den Wänden gefrieren, und Verfahrensströme schalten periodisch Durchgänge in den Tauschern, um zu ermöglichen, das die angesammelten Feststoffe verdampfen. Eine Physikalische oder chemische Absorption wird ebenfalls häufig verwendet, um unerwünschte Verunreinigungen aus einem Gasstrom zu entfernen. Eine Absorption in Betten von Molekularsieben aus Aktivkohle, aktiviertem Aluminiumoxid oder Zeolit wird gewöhnlich verwendet, um Verunreinigungen zu entfernen. Eine physische Filtration wird häufig verwendet, um Teilen zu entfernen, welche größer als 1 Mikrometer sind. Verunreinigungen eines Gasstroms, wie Wasserdampf und andere kondensierbaren Stoffe, können ebenfalls durch Permeation durch eine Membranvorrichtung entfernt werden. Verunreinigungen können extrahiert werden durch einen Kontakt mit einem Flüssigkeitsstrom, welcher vorzugsweise die Verunreinigung absorbiert oder damit reagiert. Weitere bekannte Trennungstechniken sowie Kombinationen beliebiger der vorhergehenden Techniken können verwendet werden.Impurities can be removed from the process by any conventional means. Condensable Substances may be removed by condensation in a specially designed process device. For example, water vapor can be condensed from air by cooling the air and then passing the cooled air into a separation vessel. Another device can remove the condensables while cooling a stream; recuperative heat exchangers used in cryogenic air separation plants cool air while allowing carbon dioxide and water to freeze on the walls, and process streams periodically switch passes in the exchangers to allow the accumulated solids to evaporate. Physical or chemical absorption is also commonly used to remove unwanted contaminants from a gas stream. Absorption in beds of molecular sieves of activated carbon, activated alumina, or zeolite is commonly used to remove contaminants. Physical filtration is often used to remove particles larger than 1 micrometer. Contaminants of a gas stream, such as water vapor and other condensables, may also be removed by permeation through a membrane device. Contaminants may be extracted by contact with a liquid stream which preferentially absorbs or reacts with the contaminant. Other known separation techniques as well as combinations of any of the foregoing techniques may be used.

Bei der Trennung der Komponentengase, welche in dem Gasgemisch vorhanden sind, wird das Gasgemisch in Kontakt mit der ersten Seite der Membran gebracht, wobei dies unter der Bedingung erfolgt, daß eine chemische Potentialdifferenz über der Membran existiert, wobei eine Permeation durch die Membran von der ersten Seite des Einspeisungs-Gasgemischs der Membran bei einem ersten chemischen Potential zu einer gegenüberliegenden zweiten Seite einer Nicht-Einspeisung der Membran bei einem zweiten chemischen Potential erfolgt, welches niedriger ist als das erste chemische Potential. Geeigneterweise wird eine Partialdruckdifferenz verwendet, um die erforderliche chemische Potentialdifferenz zu liefern. Der Partialdruck der Einspeisungs-Gaskomponenten ist geeigneterweise höher als derjenige der Permeatgaskomponenten, was zu einem Gesamt- Transmembrandruck im Bereich von etwa 5 bis etwa 2000 Pfund pro Quadratzoll (psi) (etwa 34,5 bis etwa 13.800 kPa) und vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 1.200 psi (etwa 345 bis etwa 8.270 kPa) führt. Das Gas, welches nicht durch die Membran permeiert, das heißt, das Nicht-Permeatgas, weist generell einen etwas niedrigeren Druck auf als das Einspeisungs- Gasgemisch, infolge einer Diffusion eines Teils der Komponentengase durch die Membran und des begleitenden Abfalls des Drucks bei Hindurchtreten des Gases durch die Membranvorrichtung. Vorzugsweise wird dieser Druckabfall auf einem Minimum gehalten. Die Partialdruckdifferenz kann geliefert werden durch einen Einspeisungs-Gasstrom, welcher bei hohem Druck verfügbar ist, einen Einspeistungsstromkompressor oder -Gebläse, eine Permeatstrom-Vakuumpumpe, einen Zwischenstrom- Nachschaltkompressor, eine andere Art einer Kompressionseinrichtung oder Kombinationen daraus. Eine Temperatur- oder Konzentrationsdifferenz kann ebenfalls verwendet werden, um die erforderliche Differenz des chemischen Potentials über die Membran zu erzeugen.In separating the component gases present in the gas mixture, the gas mixture is brought into contact with the first side of the membrane, this being done under the condition that a chemical potential difference exists across the membrane, whereby permeation through the membrane from the first side of the feed gas mixture of the membrane at a first chemical potential to an opposite second non-feed side of the membrane at a second chemical potential which is lower than the first chemical potential. Suitably, a partial pressure difference is used to provide the required chemical potential difference. The partial pressure of the feed gas components is suitably higher than that of the permeate gas components, resulting in a total transmembrane pressure in the range of from about 5 to about 2000 pounds per square inch (psi) (about 34.5 to about 13,800 kPa), and preferably from about 50 to about 1,200 psi (about 345 to about 8,270 kPa). The gas which does not permeate through the membrane, that is, the non-permeate gas, is generally at a slightly lower pressure than the feed gas mixture due to diffusion of a portion of the component gases through the membrane and the accompanying drop in pressure as the gas passes through the membrane device. Preferably, this pressure drop is kept to a minimum. The partial pressure difference can be provided by a feed gas stream available at high pressure, a feed stream compressor or blower, a permeate stream vacuum pump, an interstream downstream compressor, another type of compression device, or combinations thereof. A temperature or concentration difference can also be used to produce the required chemical potential difference across the membrane.

Bei einigen Anwendungen findet die Trennung in Abhängigkeit von den zu trennenden Gasen, der verwendeten Membran, dem Volumen des zu verarbeitenden Gases, der gewünschten Reinheit des Produkts und anderen Faktoren vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen etwa -30ºC und etwa 5ºC statt. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist das Gas in Kontakt mit der Membran vorzugsweise eine Temperatur von etwa -5ºC oder weniger auf, und noch bevorzugter von etwa -25ºC oder weniger. Die Temperatur kann in Abhängigkeit von den Komponenten des Einspeisungs- Gasgemisches und den Eigenschaften der verwendeten Membran bei der gewünschten Produktreinheit über einen großen Bereich variieren. Vorteilhafterweise wird eine Temperatur gewählt, welche einen hohen Trennungsfaktor ohne übermäßige Verluste der Permeabilität erreicht. Die Temperatur muß ferner derart gewählt werden, daß die physikalischen Eigenschaften der Membran bzw. der Membranvorrichtung nicht schädlich beeinflußt werden. Die Auswahl einer Betriebstemperatur kann ferner durch die Energie, welche erforderlich ist, um das Einspeisungs- Gasgemisch angemessen auf eine niedrigere Temperatur zu kühlen, und andere pragmatische Betrachtungen begrenzt sein.In some applications, depending on the gases to be separated, the membrane used, the volume of gas to be processed, the desired purity of the product and other factors, the separation preferably takes place at a temperature between about -30ºC and about 5ºC. In other embodiments, the gas in contact with the membrane preferably has a temperature of about -5ºC or less, and more preferably about -25°C or less. The temperature may vary over a wide range depending on the components of the feed gas mixture and the properties of the membrane used at the desired product purity. Advantageously, a temperature is chosen which achieves a high separation factor without excessive losses in permeability. The temperature must also be chosen such that the physical properties of the membrane or membrane device are not deleteriously affected. The selection of an operating temperature may also be limited by the energy required to adequately cool the feed gas mixture to a lower temperature and other pragmatic considerations.

Wenn das Gasgemisch nicht bei der gewünschten Temperatur geliefert wird, so kann eine beliebige herkömmliche Einrichtung bzw. Kombination von Einrichtungen zum Ändern der Temperatur des Gasgemisches, wie ein externe Absorptions- oder Verdampfungs-Kühlsystem, eine Expansionsvorrichtung oder die Selbstkühlfähigkeit gemäß dem Joule-Thomson-Effekt des permeierten Gases, verwendet werden, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Das Extern Kühlsystem, welches hier verwendet wird, bezieht sich auf die Verwendung eines getrennten Verfahrens bzw. einer getrennten Vorrichtung zum Kühlen eines oder mehrerer Verfahrensströme, welche mit der Membran durch einen indirekten Wärmetausch in Kontakt sind, wodurch eine Kühlung des Prozesses erfolgt. Der indirekte Wärmetausch, welcher hier verwendet wird, bezieht sich darauf, daß zwei oder mehr Fluidströme in eine Wärmetauschbeziehung gebracht werden, ohne daß irgendein physischer Kontakt stattfindet oder die Fluide miteinander gemischt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein kalter Flüssigkeitskühlmittelstrom verwendet werden, um einen der Verfahrensströme in einem Wärmetauscher zu kühlen. Der kalte Flüssigkeitskühlmittelstrom kann erhalten wer den durch Expansion eines Gasstroms hohen Drucks. Das Kühlmittel kann irgendein Fluid, wie etwa Freongas, mit günstigen thermodynamischen Eigenschaften sein. Derartige externe Kühlsysteme sind bekannt und lassen sich durch einen Experten auf diesem Gebiet problemlos bauen. Die Temperatur des Gasgemischs kann auch durch einen Wärmetausch mit anderen Verfahrensfluiden, wie einem Teil oder der Gesamtheit des Einspeisungsgases, des Nicht-Permeatgases oder des Permeatgases, gekühlt durch Expansion, wie etwa in einer Turbinen-Expansionsvorrichtung, ändern.If the gas mixture is not supplied at the desired temperature, any conventional means or combination of means for changing the temperature of the gas mixture, such as an external absorption or evaporative cooling system, an expansion device, or the self-cooling capability of the permeated gas due to the Joule-Thomson effect, may be used to achieve the desired temperature. The external cooling system as used herein refers to the use of a separate process or device for cooling one or more process streams that are in contact with the membrane by indirect heat exchange, thereby cooling the process. The indirect heat exchange as used herein refers to bringing two or more fluid streams into heat exchange relationship without any physical contact or mixing of the fluids. In one embodiment, a cold liquid coolant stream may be used to cool one of the process streams in a heat exchanger. The cold liquid coolant stream may be obtained the high pressure created by expansion of a gas stream. The coolant may be any fluid, such as freon gas, with favorable thermodynamic properties. Such external cooling systems are known and can be easily constructed by an expert in the field. The temperature of the gas mixture may also be changed by heat exchange with other process fluids, such as part or all of the feed gas, the non-permeate gas, or the permeate gas cooled by expansion, such as in a turbine expander.

Alternativ kann die Selbstkühlungsfähigkeit des Permeatgases zur Kühlung verwendet werden. Es ist bekannt, daß die meisten Gase eine erhebliche Kühlwirkung haben, wenn der Druck vermindert wird, ohne daß aus dem Gas Energie extrahiert wird. Dieses Phänomen ist als Joule-Thomson-Effekt bekannt. Die Größe dieses Effekts ist Abhängig von den thermodynamischen Eigenschaften des Gases. Bei manchen Gasen, wie etwa bei Kohlendioxid bei etwa -50ºC bis 20ºC, kann die Abnahme der Temperatur, welche mit dem Druckabfall über der Membran in Zusammenhang steht, ausreichend sein, um eine Membranvorrichtung auf einer recht niedrigen Betriebstemperatur zu halten. Dieser Effekt wird im weiteren als Selbstkühlungseigenschaften eines Gases bezeichnet. Membranvorrichtungen, wie etwa solche, die Hohlfasern umfassen, umfassen generell eine große Membranoberfläche, um einen Stofftransfer zwischen den Strömen in Kontakt mit der Membran zu erleichtern. Diese große Oberfläche erleichtert ferner den Wärmetransfer zwischen Strömen. So können Membranvorrichtungen vorteilhaft als kombinierte Stoff- und Wärmetransfereinheiten verwendet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie in Beispiel 10 dargestellt, kühlt ein Gasgemisch, welches in ein Hohlfasermembranmodul eintritt, infolge der Expansion des permeierenden Gases über die Membran. Ein hoher Wärmetransfer in einer Gegenstromflußanordnung führt zu einer Kühlung längs der Länge der Membranvorrichtung, und das Nicht-Permeatproduktgas verläßt die Vorrichtung erheblich kühler als das Permeatproduktgas. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine Einführung eines Spülstroms mit einer anderen Temperatur als diejenige des Einspeisungs-Gasstroms die Stofftransferleistung der Vorrichtung verbessern und die Temperatur des Nicht-Permeat-Produktgases, welches die Vorrichtung verläßt, steuern.Alternatively, the self-cooling ability of the permeate gas can be used for cooling. It is known that most gases have a significant cooling effect when the pressure is reduced without extracting energy from the gas. This phenomenon is known as the Joule-Thomson effect. The magnitude of this effect depends on the thermodynamic properties of the gas. For some gases, such as carbon dioxide at about -50ºC to 20ºC, the decrease in temperature associated with the pressure drop across the membrane can be sufficient to maintain a membrane device at a fairly low operating temperature. This effect is referred to below as the self-cooling properties of a gas. Membrane devices, such as those comprising hollow fibers, generally comprise a large membrane surface area to facilitate mass transfer between the streams in contact with the membrane. This large surface area also facilitates heat transfer between streams. Thus, membrane devices can advantageously be used as combined mass and heat transfer units. In one embodiment, as shown in Example 10, a gas mixture entering a hollow fiber membrane module cools due to the expansion of the permeating gas across the membrane. High heat transfer in a countercurrent flow arrangement results in cooling along the length of the membrane device, and the non-permeate product gas exits the device significantly cooler than the permeate product gas. In other embodiments, introduction of a purge stream having a different temperature than that of the feed gas stream can improve the mass transfer performance of the device and control the temperature of the non-permeate product gas exiting the device.

Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann das Einspeisungsgas bei einer Temperatur verfügbar sein, welche niedriger ist als die gewünschte Betriebstemperatur. Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann es erforderlich sein, das Einspeisungsgas auf die gewünschte Betriebstemperatur zu erwärmen. Dies kann erreicht werden unter Verwendung irgendeiner herkömmlichen Erwärmungseinrichtung, wie etwa unter Verwendung eines Elektroheizung, eines Wärmetausches mit einem wärmeren Fluid, eines Wärmetausches mit einer wärmeren Umgebung und ähnlichem.In certain embodiments, the feed gas may be available at a temperature that is lower than the desired operating temperature. In such embodiments, it may be necessary to heat the feed gas to the desired operating temperature. This may be accomplished using any conventional heating means, such as using an electric heater, a heat exchange with a warmer fluid, a heat exchange with a warmer ambient, and the like.

Generell liegt die bevorzugte Temperatur für das Einspeisungs-Gasgemisch für die Trennung von Sauerstoff und Stickstoff im Bereich zwischen etwa -150ºC und etwa -5ºC, noch bevorzugter zwischen etwa -125ºC und etwa -25ºC, und am stärksten bevorzugt zwischen etwa -100ºC und -30ºC. Generell liegt die bevorzugte Temperatur für die Trennung von Kohlendioxid und einem leichten Kohlenwasserstoff im Bereich zwischen etwa -40ºC und 5ºC oder etwa 0ºC oder höher.Generally, the preferred temperature for the feed gas mixture for the separation of oxygen and nitrogen is in the range of about -150ºC to about -5ºC, more preferably about -125ºC to about -25ºC, and most preferably about -100ºC to -30ºC. Generally, the preferred temperature for the separation of carbon dioxide and a light hydrocarbon is in the range of about -40ºC to 5ºC, or about 0ºC or higher.

Während eines fortlaufenden Betriebs wird die Temperatur partikulärer Ströme in dem Verfahren vorteilhaft gesteuert, um eine stabile Betriebstemperatur für die Membranvorrichtung und andere Verfahrenseinrichtungen zu erhalten, welche vorzugsweise innerhalb mindestens +/-5ºC liegt. Die Temperatur des Gases kann mittels in Reihe angeordneter Thermoelemente oder anderer Temperaturüberwachungsvorrichtung überwacht werden. Herkömmliche Verfahren zur Temperatursteuerung stehen einem Experten auf diesem Gebiet generell zur Verfügung und sind für die meisten Verfahren geeignet. Bei Verfahren mit Turbo- Expansionsvorrichtungen sorgen einstellbare Schaufeln für ein gewisses Maß an Steuerung. Eine Feinsteuerung bei diesen Verfahren kann erhalten werden, in dem ein Teil des Verfahrensstroms durch ein Steuerventil geleitet wird, wobei entweder die Turbo-Expansionsvorrichtung oder ein Wärmetauscher umgangen wird.During continuous operation, the temperature of particulate streams in the process is advantageously controlled to maintain a stable operating temperature for the membrane device and other process equipment, which is preferably within at least +/-5ºC. The temperature of the gas can be monitored by means of series-arranged thermocouples or other temperature monitoring devices. Conventional methods of temperature control are generally available to an expert in the art and are suitable for most processes. In processes using turbo-expanders, adjustable vanes provide some degree of control. Fine control in these processes can be obtained by passing a portion of the process stream through a control valve, bypassing either the turbo-expander or a heat exchanger.

Die Membranvorrichtung, Rohrleitungen und/oder andere Einrichtungen der Vorrichtung bzw. des Systems sind vorzugsweise mittels eines Isoliermaterials, wie ausgedehnter Perlit, isoliert, um Energieverluste und Betriebskosten zu minimieren, welche mit Kühlungsanforderungen bei diesem Verfahren in Zusammenhang stehen. Derartige Vorsehungen sind besonders dort wichtig, wo das System nicht durchgehend bzw. aussetzend auf Abruf arbeitet, oder wenn ein schnelles Hochfahren des Systems erwünscht ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann es erwünscht sein, anfänglich mehr des Einspeisungs-Gasgemischs durch die Turbo-Expansionsvorrichtung zu führen oder das Gasgemisch weiter zu expandieren, um eine schnelle Kühlung der Membranvorrichtung und/oder des Systems auf die gewünschte Betriebstemperatur zu unterstützen. Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann die niedrigere Anfangsproduktivität der Membranvorrichtung angemessen sein, um kleine Mengen eines Produktgases zu liefern. Dieses niedrigere Anfangsproduktivität kann durch das Hinzufügen eines Produkt-Puffertanks kompensiert werden.The membrane device, piping and/or other devices of the device or system are preferably insulated using an insulating material such as expanded perlite to minimize energy losses and operating costs associated with cooling requirements in this process. Such provisions are particularly important where the system is not operating continuously or intermittently on demand, or where rapid start-up of the system is desired. In some embodiments, it may be desirable to initially pass more of the feed gas mixture through the turbo-expander or to further expand the gas mixture to assist in rapid cooling of the membrane device and/or system to the desired operating temperature. In such embodiments, the lower initial productivity of the membrane device may be adequate to deliver small quantities of a product gas. This lower initial productivity may be compensated for by adding a product buffer tank.

Bei manchen Ausführungsbeispielen ist eine Rückführung eines Teils oder der Gesamtheit des Permeatgases bzw. des Nicht- Permeatgases erwünscht. Beispielsweise kann ein Zwischenproduktstrom von einer Membranvorrichtung erneut komprimiert und als ein Teil des Einspeisungsstroms zu der gleichen oder einer anderen Membranvorrichtung verwendet werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Zwischenstrom von einem Satz von Membranvorrichtungen in Reihe oder in Kaskade rückgeführt werden. Bei derartigen Ausführungsbeispielen könnte eine höhere Gewinnung eines erwünschten Produkts oder eine höhere Reinheit erreicht werden.In some embodiments, a recirculation of part or all of the permeate gas or the non- permeate gas is desired. For example, an intermediate stream from one membrane device may be recompressed and used as part of the feed stream to the same or another membrane device. In a preferred embodiment, an intermediate stream may be recycled from a set of membrane devices in series or in cascade. In such embodiments, higher recovery of a desired product or higher purity could be achieved.

Bei anderen Ausführungsbeispielen wird eine Turbo- Expansionsvorrichtung zur Kühlung oder als eine Einrichtung zur Wiedergewinnung eines Teils der Druckenergie eines Produktgases verwendet. Die Ausdrücke Turbo-Expansionsvorrichtung und Turbinen-Expansionsvorrichtung werden in der vorliegenden Schrift tauschbar verwendet. Eine Turbo-Expansionsvorrichtung ist eine Vorrichtung, in welcher Gas durch eine Turbine expandiert wird, wobei Energie in Form von Arbeit aus dem Gasstrom extrahiert wird, während der Druck des Gasstroms vermindert wird. Wenn Energie in dieser Weise aus dem Gasstrom extrahiert wird, so kühlt der Gasstrom erheblich, wodurch eine besonders wirksame Kühlung für das Verfahren erreicht wird. Die Turbo- Expansionsvorrichtung kann durch eine mechanische, hydraulische oder eine andere Verbindung zum Betreiben eines Gebläses, eines Kompressors, einer Pumpe, eines Generators oder einer anderen Einrichtung verwendet werden. Jedoch kann es in vielen kleinen Anlagen der Fall sein, daß es nicht wirtschaftlich ist, die Energie wiederzugewinnen, und die Turbo- Expansionsvorrichtung kann nur eine Bremsvorrichtung antreiben. Selbst in diesem Fall sind Turbe-Expansionsvorrichtungen eine besonders wirksame Kühlvorrichtung.In other embodiments, a turbo-expander is used for cooling or as a means for recovering a portion of the pressure energy of a product gas. The terms turbo-expander and turbine expander are used interchangeably in this specification. A turbo-expander is a device in which gas is expanded by a turbine, extracting energy in the form of work from the gas stream while reducing the pressure of the gas stream. When energy is extracted from the gas stream in this manner, the gas stream cools significantly, thereby providing particularly effective cooling for the process. The turbo-expander may be used to operate a fan, compressor, pump, generator or other device through a mechanical, hydraulic or other connection. However, in many small plants it may not be economical to recover the energy and the turbo-expander can only drive a braking device. Even in this case, turbo-expanders are a particularly effective cooling device.

Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Minimierung von Energieanforderungen durch die Verwendung einer integrierten Verfahrensgestaltung erwünscht. Energie kann eingespart werden durch Verwendung eines oder mehrerer kalter Ströme zum Kühlen eines wärmeren Stroms in einem Wärmetauscher. Bei einem Ausführungsbeispiel werden kalte Produktströme, welche die Membranvorrichtung verlassen, zum teilweisen Kühlen des Einspeisungs-Gasgemischs verwendet, und eine externe Kühlungsversorung wird verwendet, um das Einspeisungs-Gasgemisch weiter zu kühlen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Produkt von einer Membranvorrichtung gekühlt, indem es durch eine Expansionsvorrichtung geführt wird, und die kalten Produktgase werden verwendet, um das Einspeisungs-Gasgemisch in einem Wärmetauscher zu kühlen.In some embodiments, minimizing energy requirements is achieved through the use of an integrated Process design desired. Energy can be saved by using one or more cold streams to cool a warmer stream in a heat exchanger. In one embodiment, cold product streams exiting the membrane device are used to partially cool the feed gas mixture and an external cooling supply is used to further cool the feed gas mixture. In another embodiment, product from a membrane device is cooled by passing it through an expansion device and the cold product gases are used to cool the feed gas mixture in a heat exchanger.

Optional können das Verfahren und die Vorrichtung eine Einrichtung zum Ändern der Temperatur und/oder des Drucks eines Teils oder der Gesamtheit der Permeat- und/oder der Nicht- Permeatströme, welche die Membranvorrichtung verlassen, auf eine Temperatur und/oder einen Druck verwendet werden, bei welchen die Ströme nützlich sind. Beispielsweise kann der Permeat- bzw. Nicht-Permeatstrom zu kalt sein, um wirksam genutzt zu werden, oder es kann erwünscht sein, das Kühlungspotential des kalten Stroms wiederzugewinnen, indem dieser dazu verwendet wird, einen warmen Strom zu kühlen. Oder es kann erwünscht sein, einen Teil oder die Gesamtheit des Permeat- bzw. des Nicht-Permeatstroms zu kühlen, bevor eine Rückführung des Stroms zu einem früheren Punkt in dem Verfahren erfolgt. Wärmettauscher, Kompressoren und ähnliches können für diese Zwecke verwendet werden.Optionally, the process and apparatus may employ means for changing the temperature and/or pressure of a portion or all of the permeate and/or non-permeate streams exiting the membrane device to a temperature and/or pressure at which the streams are useful. For example, the permeate or non-permeate stream may be too cold to be used effectively, or it may be desirable to recover the cooling potential of the cold stream by using it to cool a warm stream. Or it may be desirable to cool a portion or all of the permeate or non-permeate stream before recycling the stream to an earlier point in the process. Heat exchangers, compressors, and the like may be used for these purposes.

Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann es erwünscht sein, Membrane in Kombination mit anderen Trennungsvorgängen, wie einer Druckwechselabsorption, Temperaturwechselabsorption, Fraktionierung, Destillation, Rektifizierung, chemischen Reaktion, Absorption oder einer Extraktion, zu ver wenden. Beispielsweise können Membrane verwendet werden, um entweder Sauerstoff oder Stickstoff in einem Gasgemisch vor einer Einspeisung des Gases zu oder aus einem kryogenischen Destillationsvorgang anzureichern. Alternativ kann eine Reaktion oder ein anderes Verfahren verwendet werden, um Restverunreinigungen aus einem angereicherten Gas zu entfernen, welches über ein Membranverfahren erzeugt wurde. Fig. 11 zeigt eine Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemischs. Ein Einspeisungs-Gasgemisch wird durch eine Leitung 1102 in einen ersten Kompressor 1104 eingeleitet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden vier Kompressorstufen verwendet. Zusätzliche Kompressorstufen oder weniger Kompressorstufen können je nach Bedarf verwendet werden, um den gewünschten Druck für das Einspeisungs-Gasgemisch in den Trennungsvorgängen zu erhalten. Das Gas in der Leitung 1102 sollte vorzugsweise vorbehandelt werden, um Stoffteilchen und unerwünschte Verunreinigungen mittels eines Koaleszenzabscheiders oder anderer Filtermedien zu entfernen. Der erste Kompressor 1104 wird über eine Welle 1107 durch einen Motor 1106 angetrieben. Ein einzelner Motor kann verwendet werden, um eine Reihe von Kompressoren anzutreiben, welche durch einen zweiten Kompressor 1120, einen dritten Kompressor 1124 und einen vierten Kompressor 1142 dargestellt sind, die jeweils durch Wellen 1110, 1122 und 1125 angetrieben werden. Das Gas tritt aus dem ersten Kompressor 1104 über eine Leitung 1108 in eine Kühlvorrichtung 1112 aus und tritt anschließend über eine Leitung 1113 in eine Wassertrennvorrichtung bzw. einen Tröpfchenabscheider aus. Kondensiertes Wasser tritt aus dem Tröpfchenabscheider 1114 über die Leitung 1116 aus, und Gas tritt über die Leitung 1118 aus.In some embodiments of the invention, it may be desirable to use membranes in combination with other separation processes, such as pressure swing absorption, temperature swing absorption, fractionation, distillation, rectification, chemical reaction, absorption or extraction. For example, membranes may be used to enrich either oxygen or nitrogen in a gas mixture prior to feeding the gas to or from a cryogenic distillation process. Alternatively, a reaction or other process may be used to remove residual impurities from an enriched gas produced via a membrane process. Figure 11 shows an apparatus for separating a gas mixture. A feed gas mixture is introduced through a line 1102 into a first compressor 1104. In the illustrated embodiment, four compressor stages are used. Additional compressor stages or fewer compressor stages may be used as needed to obtain the desired pressure for the feed gas mixture in the separation processes. The gas in line 1102 should preferably be pretreated to remove particulate matter and unwanted impurities using a coalescer or other filter media. The first compressor 1104 is driven by a motor 1106 via a shaft 1107. A single motor may be used to drive a series of compressors represented by a second compressor 1120, a third compressor 1124, and a fourth compressor 1142, each driven by shafts 1110, 1122, and 1125. Gas exits the first compressor 1104 via line 1108 into a cooler 1112 and then exits via line 1113 into a water separator or drift eliminator. Condensed water exits the drift eliminator 1114 via line 1116, and gas exits via line 1118.

Das Gas aus der Leitung 1118 tritt in den zweiten Kompressor 1120 ein und tritt über die Leitung 1130 in eine Kühlvorrichtung 1132 aus. Das Gas tritt aus der Kühlvorrichtung 1132 über die Leitung 1134 aus und tritt anschließend in den Tröpf chenabscheider 1136 ein. Wasser tritt aus dem Tröpfchenabscheider 1136 über die Leitung 1139 aus, und verhältnismäßig trockenes Gas tritt über die Leitung 1138 in einen dritten Kompressor 1124 aus. Das Gas, welches aus dem dritten Kompressor 1124 austritt, strömt durch die Leitung 1126 in eine Kühlvorrichtung 1140. Das Gas wird anschließend durch die Leitung 1149 in den Tröpfchenabscheider 1146 befördert, wobei flüssiges Wasser durch die Leitung 1148 strömt und verhältnismäßig trockenes Gas durch die Leitung 1141 strömt. Das Gas von der Leitung 1141 tritt in den vierten Kompressor 1142 ein und tritt über die Leitung 1143 aus, welche Gas in die Kühlvorrichtung 1144 befördert. Das Gas tritt aus der Kühlvorrichtung 1144 über die Leitung 1145 aus und tritt in den Tröpfchenabscheider 1150 ein. Flüssiges Wasser tritt aus dem Tröpfchenabscheider 1150 über die Leitung 1147 aus. Komprimiertes Gas tritt aus dem Tröpfchenabscheider 1150 über die Leitung 1151 aus. Zusätzliche Trocknungsstufen können, falls erforderlich, in Abhängigkeit von der Wassermenge in dem Einspeisungs- Gasgemisch und dem gewünschten Taupunkt verwendet werden.The gas from line 1118 enters the second compressor 1120 and exits via line 1130 into a cooling device 1132. The gas exits the cooling device 1132 via line 1134 and then enters the dropper eliminator 1136. Water exits the eliminator 1136 via line 1139 and relatively dry gas exits via line 1138 into a third compressor 1124. The gas exiting the third compressor 1124 flows through line 1126 into a cooler 1140. The gas is then conveyed through line 1149 into the eliminator 1146 with liquid water flowing through line 1148 and relatively dry gas flowing through line 1141. The gas from line 1141 enters the fourth compressor 1142 and exits via line 1143 which conveys gas into the cooler 1144. Gas exits the cooler 1144 via line 1145 and enters the mist eliminator 1150. Liquid water exits the mist eliminator 1150 via line 1147. Compressed gas exits the mist eliminator 1150 via line 1151. Additional drying stages may be used if required, depending on the amount of water in the feed gas mixture and the desired dew point.

Von der Leitung 1151 strömt das Einspeisungs-Gasgemisch in eine gekühlte Kühlvorrichtung 1152 und anschließend über eine Leitung 1153 in einen Tröpfchenabscheider 1154. (Alternativ kann das Einspeisungs-Gasgemisch unter Verwendung eines externen Kühlsystems oder durch einen Wärmetausch mit einem Teil oder der Gesamtheit des Permeatgases gekühlt werden.) Vor dem Eintreten in die Kühlvorrichtung 1152 wird das Einspeisungs- Gasgemisch vorzugsweise gefiltert, um Öl, welches von dem Kompressor aufgenommen wurde, zu entfernen. Flüssiges Wasser tritt über die Leitung 1156 aus, und beinahe trockenes Gas strömt durch die Leitung 1158. Um eine zusätzliche Trocknung zu erreichen, kann entweder ein Lufttrockner, welcher mit einem Molekularsieb arbeitet, oder ein rekuperativer Wärmetauscher verwendet werden. Ein Molekularsieb ist in Fig. 11 mit zwei Siebbetten 1168 und 1170 dargestellt, welche abwechselnd regeneriert und betrieben werden. Die Siebbetten können unter Verwendung eines Teils oder der Gesamtheit des Permeatgases als Trockensweep regeneriert werden, und/oder es kann auch eine Wärmeregenerierung der Siebbetten verwendet werden. Die Verwendung eines rekuperativen Wärmetauschers würde einige Änderungen an der dargestellten Vorrichtung erfordern, jedoch wären die erforderlichen Änderungen für einen Experten auf diesem Gebiet offensichtlich.From line 1151, the feed gas mixture flows into a cooled cooler 1152 and then via line 1153 into a droplet separator 1154. (Alternatively, the feed gas mixture may be cooled using an external cooling system or by heat exchange with some or all of the permeate gas.) Before entering the cooler 1152, the feed gas mixture is preferably filtered to remove oil picked up by the compressor. Liquid water exits via line 1156 and nearly dry gas flows through line 1158. To achieve additional drying, either an air dryer operating with a molecular sieve or a recuperative heat exchanger may be used. A molecular sieve is shown in Fig. 11 with two sieve beds 1168 and 1170 are shown which are alternately regenerated and operated. The sieve beds may be regenerated using part or all of the permeate gas as a dry sweep, and/or heat regeneration of the sieve beds may also be used. The use of a recuperative heat exchanger would require some modifications to the apparatus shown, but the modifications required would be obvious to one skilled in the art.

Schaltventile 1176 und 1160 werden verwendet, um zwischen den verschiedenen Gasflüssen umzuschalten, welche zur Trocknung und Regenerierung erforderlich sind. Gas von der Leitung 1158 strömt in ein Schaltventil 1160 und wird anschließend zu einem der Molekularsiebbetten 1168 bzw. 1170 geleitet. Zum Zwecke der Erläuterung wird die Vorrichtung beschrieben, wobei ein Bett 1168 das aktive Trocknungsbett ist, während 1170 regeneriert wird. In diesem Fall strömt das trockene Einspeisungs-Gasgemisch durch das Ventil 1160 in die Leitung 1162 und anschließend in das Molekularsiebbett 1168. Das Gas tritt durch das Rohr 1172 in das Schaltventil 1176 aus, wo das Gas in das Rohr 1178 geleitet wird.Switching valves 1176 and 1160 are used to switch between the various gas flows required for drying and regeneration. Gas from line 1158 flows into a switching valve 1160 and is then directed to one of the molecular sieve beds 1168 and 1170, respectively. For purposes of explanation, the apparatus will be described with bed 1168 being the active drying bed while 1170 is being regenerated. In this case, the dry feed gas mixture flows through valve 1160 into line 1162 and then into the molecular sieve bed 1168. The gas exits through tube 1172 into switching valve 1176 where the gas is directed into tube 1178.

Das Siebbett 1170 wird mittels eines Gases regeneriert, welches durch eine Leitung 1180 eingeleitet wird und im Verhältnis zum Bett trocken ist. Dieses trockene Gas von der Leitung 1180 strömt durch das Schaltventil 1176 in die Leitung 1174 und wird durch das Siebbett 1170 geführt. Das Feuchtigkeitsspülgas tritt anschließend durch die Leitung 1166 in das Schaltventil 1160 aus, wo das Gas durch die Leitung 1164 entfernt wird.The sieve bed 1170 is regenerated by means of a gas which is introduced through a line 1180 and is dry relative to the bed. This dry gas from the line 1180 flows through the switching valve 1176 into the line 1174 and is passed through the sieve bed 1170. The moisture purge gas then exits through the line 1166 into the switching valve 1160 where the gas is removed through the line 1164.

Das Einspeisungs-Gasgemisch strömt durch die Leitung 1178 in einen Wärmetauscher 1188, welcher dazu dient, das verhält nismäßig trockene Gas weiter zu kühlen, indem es entgegen des Stroms mit kälteren Gasen in den Leitungen 1200 und 1210 in Kontakt gebracht wird. Der Wärmetauscher ist geeigneterweise von herkömmlicher Bauart mit Mehrfachdurchgängen, welche jeden zusammengehörigen Einlaß und Auslaß verbinden, um den Wärmetransfer zu maximieren. Das gekühlte Einspeisungs-Gasgemisch strömt in die Leitung 1190, wo es zu einem zweiten Kühler 1192 befördert wird, wo ein Wärmetausch mit Gas von der Leitung 1208 stattfindet. Alternativ kann die Wärmetauschfähigkeit geliefert werden durch einen einzigen Wärmetauscher anstelle der beiden Wärmetauscher 1188 und 1192. Das Einspeisungs- Gasgemisch wird anschließend von der Leitung 1194 in eine Membraneinheit 1196 eingeleitet. Die Membraneinheit 1196 kann ein oder mehrere Membranelemente umfassen. Ein Teil des Wärmetauschs tritt in der Membraneinheit 1196 auf, da das Permeatgas sich auf niedrigem Druck befindet und durch Expansion kühlt und den Nicht-Permeatgasstrom kühlt, welcher aus der Membraneinheit 1196 durch die Leitung 1198 austritt. Der Nicht-Permeat-Abweisungsgasstrom in der Leitung 1198 befindet sich noch auf einem verhältnismäßig hohen Druck, und das Gas wird durch einen Durchgang in eine Turbo-Expansionsvorrichtung 1206 gekühlt. Die Energie aus der Gasexpansion wird durch die Welle 1204 zu einer Energie verbrauchenden Vorrichtung 1202 befördert, welche die Verwendung dieser Energie an einer anderen Stelle ermöglicht oder die Energie einfach in Wärme umwandelt.The feed gas mixture flows through line 1178 into a heat exchanger 1188, which serves to to further cool the reasonably dry gas by contacting it countercurrently with colder gases in lines 1200 and 1210. The heat exchanger is suitably of conventional design with multiple passes connecting each associated inlet and outlet to maximize heat transfer. The cooled feed gas mixture flows into line 1190 where it is conveyed to a second cooler 1192 where heat exchange occurs with gas from line 1208. Alternatively, the heat exchange capability may be provided by a single heat exchanger instead of both heat exchangers 1188 and 1192. The feed gas mixture is then introduced from line 1194 into a membrane unit 1196. The membrane unit 1196 may comprise one or more membrane elements. Some of the heat exchange occurs in the membrane unit 1196 as the permeate gas is at low pressure and cools by expansion and cools the non-permeate gas stream exiting the membrane unit 1196 through line 1198. The non-permeate reject gas stream in line 1198 is still at a relatively high pressure and the gas is cooled by passing into a turbo expander 1206. The energy from the gas expansion is conveyed by shaft 1204 to an energy consuming device 1202 which allows the use of this energy elsewhere or simply converts the energy to heat.

Das expandierte Nicht-Permeatgas wird durch die Leitung 1208 in einen Wärmetauscher 1192 befördert, wo es dazu verwendet wird, das Einspeisungs-Gasgemisch zu kühlen, welches durch die Leitung 1190 eingeleitet wird. Das durch die Membran 1196 permeierende Gas wird durch die Leitung 1200 in einen Wärmetauscher 1188 befördert, wo dieses Gas zusammen mit dem Gas, welches durch die Leitung 1210 aus dem Wärmetauscher 1192 hervortritt, dazu verwendet wird, das Einspeisungs-Gasgemisch in dem Wärmetauscher 1188 zu kühlen. Sämtliche Leitungen sind vorzugsweise isoliert, um den Kühlwert des in den Leitungen enthaltenen Gases zu erhalten, wo diese Gase sich unterhalb von Umgebungstemperatur befinden.The expanded non-permeate gas is conveyed through line 1208 to a heat exchanger 1192 where it is used to cool the feed gas mixture introduced through line 1190. The gas permeating through membrane 1196 is conveyed through line 1200 to a heat exchanger 1188 where this gas, together with the gas exiting through line 1210 from heat exchanger 1192 is used to cool the feed gas mixture in the heat exchanger 1188. All lines are preferably insulated to preserve the cooling value of the gas contained in the lines where such gases are below ambient temperature.

Das Gas von der Leitung 1200 tritt aus dem Wärmetauscher 1188 durch die Leitung 1214 aus, und ein Teil dieses Gases wird durch das Ventil 1186 zu der Leitung 1184 abgeleitet. Das Gas, welches nicht zu der Leitung 1184 abgeleitet wird, wird zu der Leitung 1216 abgeleitet. Das Gas durch die Leitung 1184 tritt in einen Belüfter, einen Ventilator oder eine andere Niederdruckeinrichtung zum Liefern von Gas 1182 ein und wird anschließend in eine Leitung 1180 befördert, wo dieses Gas dazu verwendet wird, Feuchtigkeit aus dem Molekularsiebbet, welches regeneriert wird, entweder 1168 oder 1170, abzulassen. Das Gas in der Leitung 1180 kann optional erwärmt werden, um die Regenerierung des Molekularsiebbetts zu unterstützen. Das Gas von der Leitung 1210 tritt aus dem Wärmetauscher 1188 durch die Leitung 1212 aus.The gas from line 1200 exits heat exchanger 1188 through line 1214, and a portion of this gas is diverted to line 1184 through valve 1186. The gas that is not diverted to line 1184 is diverted to line 1216. The gas through line 1184 enters an aerator, fan, or other low pressure device for delivering gas 1182 and is then conveyed to line 1180 where this gas is used to vent moisture from the molecular sieve bed being regenerated, either 1168 or 1170. The gas in line 1180 may optionally be heated to assist in regenerating the molecular sieve bed. The gas from line 1210 exits heat exchanger 1188 through line 1212.

In Fig. 11 sind die Größe und bevorzugte Gestaltung der Kompressionsstufen, Trocknungsstufen, Wärmetauscher und Membraneinheiten abhängig von der genauen Zusammensetzung des Einspeisungs-Gasgemischs, dem Typ der verwendeten Membran, der gewünschten Betriebstemperatur und weiteren Trennungsbedingungen. Aluminium oder Aluminiumlegierungen sind bevorzugte Baumaterialien für eine Vielzahl der Systemkomponenten, welche bei niedrigen Temperaturen betrieben werden. Es bleibt dem Experten auf diesem Gebiet überlassen, die optimalen Bedingungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gasgemischs und der gewünschten Trennung zu bestimmen.In Fig. 11, the size and preferred design of the compression stages, drying stages, heat exchangers and membrane units depend on the exact composition of the feed gas mixture, the type of membrane used, the desired operating temperature and other separation conditions. Aluminum or aluminum alloys are preferred construction materials for many of the system components that operate at low temperatures. It is left to the expert in the field to determine the optimal conditions depending on the composition of the gas mixture and the desired separation.

Fig. 14 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, welche verwendet werden kann, um das Verfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Ein zu trennendes Gasgemisch wird in einer Leitung 1402 zu einem Kompressor 1404 befördert, welcher das Gas komprimiert. Das komprimierte Gas tritt aus dem Kompressor 1404 durch die Leitung 1406 aus und wird in einen Wärmetauscher 1408 befördert. Das komprimierte Gas tritt aus dem Wärmetauscher 1408 über die Leitung 1410 aus und wird in eine Membraneinheit 1412 eingeleitet. Das Nicht-Permeatgas tritt in die Membraneinheit 1412 durch die Leitung 1422 aus, und das Permeatgas tritt durch die Leitung 1414 aus. Die Leitung 1422 befördert das Nicht- Permeatgas in eine Turbinen-Expansionsvorrichtung 1424, und das expandierte und gekühlte Gas tritt durch die Leitung 1426 aus. Das gekühlte Gas strömt von der Leitung 1426 in den Wärmetauscher 1408 und tritt anschließend durch die Leitung 1428 aus. Die Turbinen-Expansionsvorrichtung ist mechanisch oder anderweitig durch eine Energieübertragungseinrichtung 1420 mit einem Kompressor 1416 verbunden. Die Energieübertragungseinrichtung 1420 kann eine Antriebswelle sein. Das Permeatgas in der Leitung 1414 tritt in den Kompressor 1416 ein und tritt als komprimiertes Gas durch die Leitung 1418 aus. Die in Fig. 14 dargestellte Vorrichtung ist eine wirksame Einrichtung zur Erzeugung eines Produkts verhältnismäßig hohen Drucks aus dem Permeatgas in einem Membransystem, welches bei niedrigen Temperaturen betrieben wird. Die Leistung von der Turbinen- Expansionsvorrichtung kann auch dazu verwendet werden, ein Vakuum auf der Permeatseite der Membranvorrichtung zu erzeugen, das Einspeisungs-Gasgemisch bzw. Nicht-Permeatgas auf einen höheren Druck zu komprimieren oder ähnliches auszuführen.Figure 14 shows a simplified schematic representation of another apparatus that can be used to carry out the process of the present invention. A gas mixture to be separated is conveyed in a line 1402 to a compressor 1404, which compresses the gas. The compressed gas exits the compressor 1404 through line 1406 and is conveyed to a heat exchanger 1408. The compressed gas exits the heat exchanger 1408 via line 1410 and is introduced into a membrane unit 1412. The non-permeate gas exits the membrane unit 1412 through line 1422 and the permeate gas exits through line 1414. Conduit 1422 carries the non-permeate gas into a turbine expander 1424 and the expanded and cooled gas exits through conduit 1426. The cooled gas flows from conduit 1426 into heat exchanger 1408 and then exits through conduit 1428. The turbine expander is mechanically or otherwise connected to a compressor 1416 through a power transfer device 1420. The power transfer device 1420 may be a drive shaft. The permeate gas in conduit 1414 enters compressor 1416 and exits as a compressed gas through conduit 1418. The device shown in Figure 14 is an effective means for producing a relatively high pressure product from the permeate gas in a membrane system operating at low temperatures. The output from the turbine expander can also be used to create a vacuum on the permeate side of the membrane device, to compress the feed gas mixture or non-permeate gas to a higher pressure, or to do the like.

Fig. 15 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht eine weitere Vorrichtung zum Trennen eines Gasgemisches zum Herstellen eines Permeatgases von relativ hoher Reinheit und re lativ hohem Druck. Das Einspeisungsgasgemisch wird über eine Leitung 1502 in eine erste Kompressionseinrichtung 1504 eingeführt und tritt anschließend durch eine Leitung 1506 aus. Eine Leitung 1506 befördert das komprimierte Gas in eine zweite Kompressionseinrichtung bzw. eine Kompressionseinrichtung 1508 einer zweiten Stufe. Das komprimierte Gas tritt aus der Kompressionsstufe 1508 über eine Leitung 1510 aus und wird in einen Wärmetauscher 1512 befördert. Das gekühlte Gas tritt aus dem Wärmetauscher 1512 über eine Leitung 1514 aus und wird zu einer ersten Membranvorrichtung 1516 befördert. Das Nicht- Permeatgas von der ersten Membranvorrichtung 1516 tritt durch eine Leitung 1532 aus und wird zu einer Turbinen- Expansionsvorrichtung 1534 befördert. Die Turbinen- Expansionsvorrichtung 1534 expandiert und kühlt das Gas, und das Gas tritt durch eine Leitung 1536 aus, wird zu dem Wärmetauscher 1512 befördert und tritt schließlich über eine Leitung 1538 aus. Ist ein Hochdruckstrom des Nicht-Permeatgases nicht erwünscht, so kann das Gas weiter expandiert werden, so daß eine deutliche Kühlung erzielt und eine bedeutende Arbeit geliefert wird. Das Permeatgas von der ersten Membranvorrichtung 1516 tritt durch eine Leitung 1518 aus und wird zu einer zweiten Membranvorrichtung 1520 befördert. Gas, welches die zweite Membranvorrichtung 1520 nicht permeiert, tritt durch eine Leitung 1530 aus und wird zu dem Wärmetauscher 1512 befördert. Das Nicht-Permeatgas von der zweiten Membranvorrichtung 1520 wird von dem Wärmetauscher 1512 über eine Leitung 1540 in eine Leitung 1506 und anschließend in die zweite Kompressionsstufe 1508 befördert. Dies ermöglicht eine zusätzliche Gewinnung des gewünschten Permeatgases durch Rückführung. Bei der zweiten Membranvorrichtung 1520 tritt das Permeatgas durch eine Leitung 1522 aus und wird zu einer Kompressionsvorrichtung 1524 befördert, welche durch eine Energieübertragungseinrichtung 1528 mit einer Turbo-Expansionsvorrichtung 1534 verbunden ist. Die Turbo-Expansionsvorrichtung 1534 kann dadurch einen Teil bzw. die gesamte für die Kompressionsvorrichtung 1524 nötige Leistung liefern. Das Permeatgas von der zweiten Membranvorrichtung 1520 wird nach einer Kompression in der Kompressionseinrichtung 1524 über eine Leitung 1526 befördert. Das resultierende Produktgas in der Leitung 1526 weist einen verhältnismäßig hohen Druck und eine verhältnismäßig hohe Reinheit auf.Fig. 15 shows a simplified schematic view of another device for separating a gas mixture to produce a permeate gas of relatively high purity and re relatively high pressure. The feed gas mixture is introduced into a first compression device 1504 via a line 1502 and then exits through a line 1506. A line 1506 carries the compressed gas to a second compression device or second stage compression device 1508. The compressed gas exits the compression stage 1508 via a line 1510 and is conveyed to a heat exchanger 1512. The cooled gas exits the heat exchanger 1512 via a line 1514 and is conveyed to a first membrane device 1516. The non-permeate gas from the first membrane device 1516 exits through a line 1532 and is conveyed to a turbine expansion device 1534. The turbine expander 1534 expands and cools the gas, and the gas exits through a line 1536, is conveyed to the heat exchanger 1512, and finally exits through a line 1538. If high pressure flow of the non-permeate gas is not desired, the gas can be further expanded so that significant cooling is achieved and significant work is provided. The permeate gas from the first membrane device 1516 exits through a line 1518 and is conveyed to a second membrane device 1520. Gas which does not permeate the second membrane device 1520 exits through a line 1530 and is conveyed to the heat exchanger 1512. The non-permeate gas from the second membrane device 1520 is conveyed from the heat exchanger 1512 through a line 1540 into a line 1506 and then into the second compression stage 1508. This allows additional recovery of the desired permeate gas by recirculation. In the second membrane device 1520, the permeate gas exits through a line 1522 and is conveyed to a compression device 1524, which is connected to a turbo-expansion device 1534 by an energy transfer device 1528. The turbo-expansion device 1534 can thereby supplying part or all of the power required for the compression device 1524. The permeate gas from the second membrane device 1520 is conveyed via a line 1526 after compression in the compression device 1524. The resulting product gas in the line 1526 has a relatively high pressure and a relatively high purity.

Fig. 16 zeigt in schematischer Form ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches eine herkömmliche Kühlung eher als eine Turbinen-Expansionsvorrichtung zum Erzielen der gewünschten Temperatur für das Einspeisungs-Gasgemisch in die Membran verwendet. In Fig. 16 wird ein Einspeisungsgasgemisch durch eine Leitung 1602 in eine Kompressionseinrichtung 1604 eingeführt. Gas tritt aus der Kompressionseinrichtung 1604 über eine Leitung 1610 aus. Eine Leitung 1610 befördert Gas in einen erste Wärmetauscher 1618, und nach der Kühlung wird das Gas über eine Leitung 1620 in einen zweiten Wärmetauscher 1622 befördert. Das Einspeisungsgas von der Leitung 1620 tritt aus dem Wärmetauscher 1622 über eine Leitung 1624 aus und wird in eine Membraneinheit 1626 eingeführt. Das Nicht-Permeatgas tritt aus der Membraneinheit 1626 über eine Leitung 1628 aus und wird in den ersten Wärmetauscher 1618 eingeführt und tritt schließlich durch die Leitung 1632 aus. Das die Membranvorrichtung 1626 permeierende Gas wird über eine Leitung 1630 in den ersten Wärmetauscher 1618 befördert und tritt durch eine Leitung 1634 aus. Der zweite Wärmetauscher 1622 wird über ein Wärmeübertragungsfluid gekühlt, welches über eine Leitung 1638 in den Wärmetauscher 1622 eingeführt wird. Das Wärmeübertragungsfluid tritt aus dem zweiten Wärmetauscher 1622 über eine Leitung 1640 aus und wird dann in eine Kühleinrichtung 1642 eingeführt, in welcher das Wärmeübertragungsfluid gekühlt und anschließend über eine Leitung 1638 zirkuliert. Eine Wärmeübertragungsfähigkeit kann alternativ durch einen einzelnen Wärmetauscher anstatt der beiden dargestellten Wärmetauscher 1618 und 1622 geliefert werden.Figure 16 shows in schematic form another embodiment of the invention which uses conventional refrigeration rather than a turbine expander to achieve the desired temperature for the feed gas mixture to the membrane. In Figure 16, a feed gas mixture is introduced through a line 1602 into a compression device 1604. Gas exits the compression device 1604 via a line 1610. A line 1610 carries gas into a first heat exchanger 1618 and after cooling the gas is carried via a line 1620 into a second heat exchanger 1622. The feed gas from line 1620 exits the heat exchanger 1622 via a line 1624 and is introduced into a membrane unit 1626. The non-permeate gas exits the membrane device 1626 via a line 1628 and is introduced into the first heat exchanger 1618 and finally exits through line 1632. The gas permeating the membrane device 1626 is conveyed via a line 1630 into the first heat exchanger 1618 and exits through a line 1634. The second heat exchanger 1622 is cooled by a heat transfer fluid which is introduced into the heat exchanger 1622 via a line 1638. The heat transfer fluid exits the second heat exchanger 1622 via a line 1640 and is then introduced into a cooling device 1642 in which the heat transfer fluid is cooled and then circulated via a line 1638. Heat transfer capability may alternatively be provided by a single Heat exchangers can be supplied instead of the two heat exchangers 1618 and 1622 shown.

Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, daß eine Vielzahl von Alternativen zum Ändern der Temperatur das Gasgemisches auf Betriebstemperatur, zum Entfernen von Verunreinigungen, zum Aufbau von Membranen und zum Komprimieren bzw. Expandieren von Gasen, angewandt werden kann. Beispielsweise kann ein rekuperativer Wärmetauscher angewandt werden, um bestimmte kondensierbare Verunreinigungen aus einem Einspeisungs- Gasgemisch zu entfernen. Der Ausdruck Membraneinheit bzw. Membranvorrichtung, wie hierin verwendet, bezieht sich auf in Reihe, parallel, Kaskade bzw. einer Rückführungsanordnung angeordnete Mehrfachmembrane, so daß die Produktreinheit bzw. Produktivität des Systems erhöht wird. Die verschiedenen hier in Fig. 11, 14, 15 und 16 beschriebenen Vorrichtungen sind zur Erläuterung dargestellt und sollen die Einrichtungen, welche bei den verschiedenen Stufen des Verfahrens, welches Gegenstand der Erfindung ist, nicht unnötig einschränken.One skilled in the art will recognize that a variety of alternatives can be used for changing the temperature of the gas mixture to operating temperature, removing contaminants, constructing membranes, and compressing or expanding gases. For example, a recuperative heat exchanger can be used to remove certain condensable contaminants from a feed gas mixture. The term membrane unit or membrane device as used herein refers to multiple membranes arranged in series, parallel, cascade or a recycle arrangement so as to increase the product purity or productivity of the system. The various devices described herein in Figures 11, 14, 15 and 16 are shown for illustration purposes and are not intended to unnecessarily limit the devices used in the various stages of the process which is the subject of the invention.

Die Membran, das zu trennende Gasgemisch, die Trenntemperatur und der Transmembrandruck sollten derart ausgewählt werden, daß eine ökonomisch effiziente Trennung von Komponentengasen in dem Einspeisungs-Gasgemisch erreicht wird. Es ist erwünscht, daß die Permeabilität des Komponentengases, welches selektiv durch die Membran permeiert, unter den ausgewählten Bedingungen ausreichend hoch ist, so daß die Membranvorrichtung keinen übermäßigen Membranoberflächenbereich erfordert. Vorzugsweise beträgt bei einer Trennung von Sauerstoff und Stickstoff die Permeabilität von Sauerstoff unter den gewählten Bedingungen mindestens 0,1 Barrer, noch bevorzugter mindestens 1 Barrer. Die Permeabilität von Sauerstoff beträgt vorzugsweise weniger als 2000 Barrers bei 30ºC, da der Transport durch Membrane mit hoher Permeabilität allgemein Anomalien aufweist, welche nicht direkt einem Lösungs-Diffusions- Mechanismus zugeschrieben werden können, und daher sind derartige Membrane für das Verfahren, welches Gegenstand der Erfindung ist, nicht relevant.The membrane, the gas mixture to be separated, the separation temperature and the transmembrane pressure should be selected to achieve an economically efficient separation of component gases in the feed gas mixture. It is desirable that the permeability of the component gas which selectively permeates through the membrane be sufficiently high under the selected conditions so that the membrane device does not require excessive membrane surface area. Preferably, for a separation of oxygen and nitrogen, the permeability of oxygen under the selected conditions is at least 0.1 Barrers, more preferably at least 1 Barrer. The permeability of oxygen is preferably less than 2000 Barrers at 30°C since transport through high permeability membranes generally exhibits anomalies. which cannot be directly attributed to a solution-diffusion mechanism, and therefore such membranes are not relevant for the process which is the subject of the invention.

Fig. 13 zeigt die Leistung von Membranen bestimmter Polymere, welche die Trenneigenschaften aus Gleichung I aufweisen, sowie die Leistung von anderen Polymeren, welche diese Kriterien nicht erfüllen. Die Membrane entsprechend den Punkten 1 bis 10 bestehen aus den folgenden Polymeren: Punkt 1 ist Poly- 4-Methylpenten-1 (PMP), Punkt 2 ist ein Polymer, welches abgeleitet ist aus 4, 6 - Diaminoresorcin Dihydro-Chlorid und 1,1,3-Trimethyl-3-Phenyl-Indan-4,5'-Dicarbonsäure (PBO A), Punkt 3 ist Polyphenylen Oxid (PPO), Punkt 4 ist Tetrachlor- Hexafluor Bisphenol A Polycarbonat (TCHF BA PC), Punkt 5 ist ein Polymer, welches abgeleitet ist aus 2,2-bis(3-Amino-4- Hydroxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan und Diphenylether- 4,4'-Dicarbonsäure (PBO B), Punkt 6 ist Tetrabromhexafluor Bisphenol A Isophthalat Ester (TBHF BA IE), Punkt 7 ist Cellulosetriazetat (CTA), Punkt 8 ist TRYCITE Polystyrol (PST), Punkt 9 ist Tetrabrom Bisphenol A Polycarbonat (TBBA PC), und Punkt 10 ist 9,9-bis(3,5-Dibrom-4-Hydroxy Phenyl)Fluoren Polycarbonat.Figure 13 shows the performance of membranes made from certain polymers that meet the separation properties of Equation I, as well as the performance of other polymers that do not meet these criteria. The membranes according to points 1 to 10 consist of the following polymers: Point 1 is poly- 4-methylpentene-1 (PMP), point 2 is a polymer which is derived from 4, 6 - diaminoresorcinol dihydrochloride and 1,1,3-trimethyl-3-phenyl-indane-4,5'-dicarboxylic acid (PBO A), point 3 is polyphenylene oxide (PPO), point 4 is tetrachloro- hexafluoro bisphenol A polycarbonate (TCHF BA PC), point 5 is a polymer which is derived from 2,2-bis(3-amino-4- hydroxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane and diphenyl ether- 4,4'-dicarboxylic acid (PBO B), point 6 is tetrabromohexafluoro bisphenol A isophthalate ester (TBHF BA IE), point 7 is Cellulose Triacetate (CTA), Item 8 is TRYCITE Polystyrene (PST), Item 9 is Tetrabromo Bisphenol A Polycarbonate (TBBA PC), and Item 10 is 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxy phenyl)fluorene Polycarbonate.

SPEZIFISCHE AUSFÜHRUNGSBEISPIELESPECIFIC IMPLEMENTATION EXAMPLES

Der Gegenstand der Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele erläutert, dadurch jedoch nicht beschränkt.The subject matter of the invention is further illustrated by the following examples, but is not limited thereby.

Verfahrenssimulationsbeispiele 1-10.Process simulation examples 1-10.

Zehn Beispiele, welche Niedrigtemperatur-Membranverfahren beschreiben, sind dargestellt, um den Umfang der Erfindung aufzuzeigen. Diese Beispiele fassen Verfahrenssimulationen zu sammen, welche auf im Handel erhältlicher Computersoftware für Verfahrenstechnik und bekannten Beziehungen von Membranvorrichtungsparametern basieren, wobei Hohlfasermembranvorrichtungen verwendet werden und von idealen Gegenstromfluid- Flußmustern und einem adiabatischen Verhalten mit idealer Wärmeübertragung zwischen dem Permeat- und Nicht-Permeat-Gasstrom ausgegangen wird. Eine Massenübertragung über die Membran wurde unter Verwendung der Gastrennungs-Standardgleichungen bezüglich einer partialdruckbetriebenen Permeabilität beschrieben, wobei die temperaturabhängigen Permeabilitäten von den Daten aus den Tabellen 13 und 15 abgeleitet sind. Wiedergewinnung, wie hier verwendet, bezieht sich auf den Bruchteil bzw. den Prozentsatz des Volumens von Produktgas (Permeat- bzw. Nicht-Permeatgas) zu dem Volumen von Einspeisungsgas. Die Beispiele umfassen ein Verfahrensablaufdiagramm, eine Hauptstromzusammenfassung und eine Beschreibung der Hauptverfahrensausrüstung. Jedes Beispiel beschreibt ein Verfahren, welches als betriebsfähig erachtet wird.Ten examples describing low temperature membrane processes are presented to demonstrate the scope of the invention. These examples summarize process simulations of based on commercially available process engineering computer software and known membrane device parameter relationships, using hollow fiber membrane devices and assuming ideal countercurrent fluid flow patterns and adiabatic behavior with ideal heat transfer between the permeate and non-permeate gas streams. Mass transfer across the membrane was described using standard gas separation equations in terms of partial pressure driven permeability, with temperature dependent permeabilities derived from data in Tables 13 and 15. Recovery, as used herein, refers to the fraction or percentage of the volume of product gas (permeate or non-permeate gas, respectively) to the volume of feed gas. The examples include a process flow diagram, a main stream summary, and a description of the main process equipment. Each example describes a process which is considered to be operable.

Die Beispiele sind wie folgt:The examples are as follows:

1. Stickstoffverfahren mit einer Expansionsvorrichtung an dem Nicht-Permeat-Produktstrom.1. Nitrogen process with an expansion device on the non-permeate product stream.

2. Stickstoffverfahren mit einer Expansionsvorrichtung an dem Permeat-Produktstrom.2. Nitrogen process with an expansion device on the permeate product stream.

3. Stickstoffverfahren mit einem externen Kühlsystem.3. Nitrogen process with an external cooling system.

4. Stickstoffverfahren mit einem externen Kühlsystem und einer Dehydriermembran zur Lufttrocknung.4. Nitrogen process with an external cooling system and a dehydration membrane for air drying.

5. Sauerstoffverfahren mit eine r durch eine Expansionsvorrichtung betriebenen Sauerstoff- Kompressionsvorrichtung.5. Oxygen process with an oxygen compression device operated by an expansion device.

6. Sauerstoffverfahren mit einer Vakuumpumpe an dem Permeat-Produktstrom.6. Oxygen process with a vacuum pump on the permeate product stream.

7. Sauerstoffverfahren mit in Kaskade angeordneten Membranvorrichtungen und einem Rückführungsstrom.7. Oxygen process with cascaded membrane devices and a recycle stream.

8. Methanreinigungsvorgang mit einer Expansionsvorrichtung an dem Nicht-Permeat-Produktstrom.8. Methane purification process using an expansion device on the non-permeate product stream.

9. Methanreinigungsverfahren mit einem externen Kühlsystem.9. Methane purification process with an external cooling system.

10. Kohlendioxid-Wiedergewinnungsverfahren ohne Expansionsvorrichtung bzw. externer Kühlung.10. Carbon dioxide recovery process without expansion device or external cooling.

Die Beispiele 1-7 gelten der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff von Luft unter Verwendung von PBO A-Membranen, und die Beispiele 8-10 gelten der Trennung von Methan und Kohlendioxidgemischen unter Verwendung von Membranen aus Tetrachlorhexafluor Bisphenol A Polycarbonat (TCHF BA PC). Die Beispiele 1-3 zeigen die Verwendung eines Niedrigtemperatur- Membranverfahrens zum Erzeugen eines mit Stickstoff angereicherten Nicht-Permeat-Produkts unter Verwendung dreier verschiedener Verfahren zum Entziehen von Wärme aus dem Verfahren, um eine niedrige Temperatur aufrecht zu erhalten. Das Beispiel 4 ist ähnlich wie Beispiel 3, mit der Ausnahme, daß eine Membranvorrichtung, welche selektiv bezüglich Wasser permeierbar ist, dazu verwendet wird, dem Einspeisungs- Gasluftstrom Wasserdampf zu entziehen, wodurch eine Kondensation bei dem Verfahren verhindert wird. Dieses Beispiel zeigt ferner die Verwendung von Membranen, welche bei Umgebungstemperatur arbeiten, in Verbindung mit Niedrigtemperaturmembranen. Die Beispiele 5-7 zeigen die Verwendung von Niedrigtemperaturmembran-Verfahren zum Erzeugen eines mit Sauerstoff angereicherten Permeatprodukts. Das Beispiel 5 zeigt die Verwendung einer Kompressionsvorrichtung, um die Druckdifferenz über die Membranvorrichtung aufrecht zu erhalten, sowie die Verwendung einer Expansionsvorrichtung zum Betreiben einer Produktkompressionsvorrichtung. Das Beispiel 6 zeigt die Verwendung einer Vakuumpumpe in Verbindung mit einem Gebläse zum Aufrechterhalten einer Druckdifferenz über die Membranvorrichtung. Das Beispiel 7 ist ähnlich wie Beispiel 5, mit der Ausnahme, daß in Kaskade angeordnete Membranvorrichtungen und ein Rückführungsstrom verwendet werden, um eine höhere Produktreinheit zu erzielen. Die Beispiele 8-10 zeigen die Verwendung eines Kohlendioxid/Methan-Trennverfahrens einer Niedertemperaturmembran, wenn ein von Verunreinigungen freier Einspeisungs-Gasstrom bei hohen Drücken und Umgebungstemperaturen verfügbar ist. Das Beispiel 8 verwendet Wärmetauscher und eine Expansionsvorrichtung, um die Temperatur der Ströme zu ändern und die Membranvorrichtung bei niedriger Temperatur zu halten, wobei ein Nicht-Permeat-Produktstrom höheren Druck gewünscht wird. Das Beispiel 9 ist ähnlich wie Beispiel 8, mit der Ausnahme, daß die Expansionsvorrichtung durch ein externes Kühlsystem ersetzt ist. Das Beispiel 10 zeigt, wie die Selbstkühlkapazität eines Gases zum Kühlen genützt werden kann, wodurch die Notwendigkeit einer Expansionsvorrichtung oder eines externen Kühlsystems zum Entziehen von Wärme aus dem Verfahren eliminiert ist.Examples 1-7 are for the separation of oxygen and nitrogen from air using PBO A membranes, and Examples 8-10 are for the separation of methane and carbon dioxide mixtures using tetrachlorohexafluoro bisphenol A polycarbonate (TCHF BA PC) membranes. Examples 1-3 demonstrate the use of a low temperature membrane process to produce a nitrogen-enriched non-permeate product using three different methods for removing heat from the process to maintain a low temperature. Example 4 is similar to Example 3, except that a membrane device which is selectively permeable to water is used to add nitrogen to the feed. gas air stream to remove water vapor, thereby preventing condensation in the process. This example also demonstrates the use of membranes operating at ambient temperature in conjunction with low temperature membranes. Examples 5-7 demonstrate the use of low temperature membrane processes to produce an oxygen-enriched permeate product. Example 5 demonstrates the use of a compression device to maintain the pressure differential across the membrane device and the use of an expansion device to operate a product compression device. Example 6 demonstrates the use of a vacuum pump in conjunction with a blower to maintain a pressure differential across the membrane device. Example 7 is similar to Example 5 except that cascaded membrane devices and a recycle stream are used to achieve higher product purity. Examples 8-10 demonstrate the use of a low temperature membrane carbon dioxide/methane separation process when a contaminant-free feed gas stream is available at high pressures and ambient temperatures. Example 8 uses heat exchangers and an expander to change the temperature of the streams and maintain the membrane device at a lower temperature where a higher pressure non-permeate product stream is desired. Example 9 is similar to Example 8 except that the expander is replaced by an external cooling system. Example 10 shows how the self-cooling capacity of a gas can be used for cooling, eliminating the need for an expander or external cooling system to remove heat from the process.

BEISPIEL 1EXAMPLE 1 STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM NICHTPERMEATPRODUKTSTROMNITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE IN THE NON-PERMATE PRODUCT STREAM

Beispiel 1 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Stickstoffproduktstroms aus Luft. Die Stickstoffstrom- Spezifikationen sind eine Flußgeschwindigkeit von 40 000 Norm- Kubikfuß pro Stunde (SCFH)(1,130 Kubikmeter pro Stunde) bei 125 psig (863 kPa) Druck mit einer maximal 1-prozentigen Sauerstoffkonzentration auf einer molaren Basis. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt-Verfahrensströme ist in Tabelle 1A angegeben, und eine Zusammenfassungs- Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 1B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 1C angegeben.Example 1 is a process for producing an enriched nitrogen product stream from air. The nitrogen stream specifications are a flow rate of 40,000 standard cubic feet per hour (SCFH) (1,130 cubic meters per hour) at 125 psig (863 kPa) pressure with a maximum 1 percent oxygen concentration on a molar basis. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 1. A summary of the major process streams is given in Table 1A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 1B. Definitions of abbreviations used are given in Table 1C.

In Fig. 1 ist Einspeisungsluft 110 des Verfahrens aus der Atmosphäre bei Umgebungsdruck, -temperatur und Feuchtigkeit verfügbar und muß komprimiert werden. Ein vierstufiger Zentrifugalkompressor 105 mit Zwischenkühlern und Nachkühlern ist dargestellt. Eine gewisse Wasserkondensation kann in den Kühlern stattfinden, daher müssen die Kühler mit automatischen Abflüssen 120 A-D versehen sein, um die kondensierte Flüssigkeit zu entfernen. Luft 110, welche in den Kompressor 105 eintritt, wird normalerweise gefiltert, um Teilchen zu entfernen, welche die Kompressorelemente erodieren bzw. abtragen könnten. Luft 112, welche den Kompressor 105 verläßt, wird durch einen kleinen Wärmetauscher 121 geleitet, wo diese mit einem Verdungstungs-Kühlmittel 122 aus einer externen Kühlungsquelle auf zwischen 4ºC und 10ºC gekühlt wird. Dies bewirkt eine zusätzliche Kondensation von Wasser aus der Luft, welches in einem Behälter 123, welcher mit einem automatischen Abfluß 124 versehen ist, abgetrennt wird. Wenn der Kompressor ein Ölungstyp ist, wird auch mitgerissenes bzw. verdampftes Öl von der Luft in einem Behälter 123 getrennt. Ein weiteres Trocknen der Luft 113 findet in einem Adsorptions-Lufttrockner 126 statt. Bei diesem Beispiel wird ein doppellagiger Molekularsiebtyp-3A-Adsorber, welcher von Union Carbide erhältlich ist, verwendet, wobei eine Lage verwendet wird, während die andere Lage regeneriert wird. Dieser Adsorber 126 trocknet die eingehende Luft 113 bis zu einem Taupunkt unterhalb der niedrigsten Temperatur, welche bei dem Verfahren erreicht zu werden erwartet wird, typischerweise einem Taupunkt von weniger als - 100ºC. In dem Flußdiagramm nicht dargestellt ist zusätzliche Reinigungsausrüstung, welche verwendet wird, um weitere Verunreinigungen aus dem Luftstrom zu entfernen. Eine derartige Ausrüstung kann zusammenlaufende Filter, um abgeflossene Flüssigkeitströpfchen nach dem Wassertrennbehälter 123 zu entfernen, einen Aktivkohlefilter, um Hydrokarbone, welche einen schädlichen Aufschlag auf die Membran aufweisen könnten und/oder Feinteilchenfilter, um Kohlenstoffpulver bzw. -staub nach dem Adsorber 126 aus der Luft zu entfernen, umfassen.In Fig. 1, process feed air 110 is available from the atmosphere at ambient pressure, temperature and humidity and must be compressed. A four stage centrifugal compressor 105 with intercoolers and aftercoolers is shown. Some water condensation may occur in the coolers, so the coolers must be provided with automatic drains 120 AD to remove the condensed liquid. Air 110 entering compressor 105 is normally filtered to remove particles which could erode the compressor elements. Air 112 leaving compressor 105 is passed through a small heat exchanger 121 where it is cooled to between 4ºC and 10ºC with evaporative coolant 122 from an external cooling source. This causes an additional condensation of water from the air, which is separated in a container 123, which is provided with an automatic drain 124. If the compressor is an oiling type, entrained or evaporated oil is also of the air in a vessel 123. Further drying of the air 113 takes place in an adsorption air dryer 126. In this example, a double layer molecular sieve type 3A adsorber available from Union Carbide is used, with one layer being used while the other layer is regenerated. This adsorber 126 dries the incoming air 113 to a dew point below the lowest temperature expected to be reached in the process, typically a dew point of less than -100°C. Not shown in the flow diagram is additional purification equipment used to remove further contaminants from the air stream. Such equipment may include converging filters to remove runoff liquid droplets after the water separation tank 123, an activated carbon filter to remove hydrocarbons which could have a damaging impact on the membrane and/or fine particle filters to remove carbon powder or dust from the air after the adsorber 126.

Die komprimierte und gereinigte Luft 130 tritt in einen Haupt-Wärmetauscher 127 ein, wo diese mit Erwärmungsproduktströmen 153 und 140 gekühlt wird. Die Luft 131 wird in einem kleinen Wärmetauscher 128 mit dem Erwärmungsproduktgas 152, welches die Expansionsvorrichtung 129 verläßt, weiter gekühlt. Danach tritt die gekühlte Luft 132 in die Hochdruckdurchgänge der Membranvorrichtung 133 ein, und der Sauerstoff in der Luft permeiert vorzugsweise durch die Membran 134 zu den Niederdruckdurchgängen der Membranvorrichtung. Dies führt dazu, daß der Hochdruck-Nichtpermeatstrom 150 die stickstoffangereichert aus der Membranvorrichtung 133 austritt, während der Niederdruck-Permeatstrom 140 sauerstoffangereichert aus der Membranvorrichtung 133 austritt. Der Nichtpermeatproduktstrom 151 tritt in die Expansionsvorrichtung 129 ein, welche etwas Energie aus dem Strahl entnimmt, wobei dies dessen Druck und Tem peratur absenkt. Der austretende Strom aus der Expansionsvorrichtung 129 ist 152. Diese Entfernung von Energie gleicht die Wärme, welche in die kalte Ausrüstung durch Wärmeübertragung mit der Umgebung und anderen Quellen eintritt, aus, wobei die Ausrüstung und Verfahrensströme derart bei der erwünschten niedrigen Temperatur gehalten werden. Die Produktströme 152 und 153 treten dann in die Wärmetauscher 128 bzw. 127 ein, wo die Ströme mit den Kühlungs-Einspeisungsluftströmen 131 bzw. 130 erwärmt werden. Danach tritt der Hochdruck-Nichtpermeat- Stickstoffproduktstrom 154 in eine Rohrleitung ein, während der größte Teil des Niederdruck-Permeat- Sauerstoffproduktstroms 141 einfach durch eine Leitung 142 an die Atmosphäre abgelassen wird. Eine geringe Menge des trockenen Niederdruck-Sauerstoffprodukts 143 kann komprimiert und erwärmt werden und dann zum Regenerieren der inaktiven Lage des Adsorptions-Lufttrockners 126 über Leitungen 143 und 144 verwendet werden.The compressed and cleaned air 130 enters a main heat exchanger 127 where it is cooled with heating product streams 153 and 140. The air 131 is further cooled in a small heat exchanger 128 with the heating product gas 152 exiting the expansion device 129. The cooled air 132 then enters the high pressure passages of the membrane device 133 and the oxygen in the air preferentially permeates through the membrane 134 to the low pressure passages of the membrane device. This results in the high pressure non-permeate stream 150 exiting the membrane device 133 enriched in nitrogen while the low pressure permeate stream 140 exits the membrane device 133 enriched in oxygen. The non-permeate product stream 151 enters the expansion device 129, which removes some energy from the jet, thereby increasing its pressure and temperature. temperature. The exit stream from the expander 129 is 152. This removal of energy offsets the heat entering the cold equipment through heat transfer with the environment and other sources, thus maintaining the equipment and process streams at the desired low temperature. The product streams 152 and 153 then enter heat exchangers 128 and 127, respectively, where the streams are heated with cooling feed air streams 131 and 130, respectively. Thereafter, the high pressure non-permeate nitrogen product stream 154 enters a pipeline while most of the low pressure permeate oxygen product stream 141 is simply vented to the atmosphere through a line 142. A small amount of the dry low pressure oxygen product 143 may be compressed and heated and then used to regenerate the inactive layer of the adsorption air dryer 126 via lines 143 and 144.

Dieses Beispiel demonstriert viele der Merkmale eines Niedertemperatur-Membranverfahrens. Eine Anzahl von Membranmodulen ist parallel angeordnet, um die erwünschte Trennung bei den gegebenen Drücken zu erreichen. Ein Kompressor wird verwendet, um die Druckdifferenz bei der Membran aufrechtzuerhalten. Die kalte Verfahrensausrüstung und Verrohrung wird gut isoliert, um einen Wärmeaustritt in das System zu minimieren. Eine Expansionsvorrichtung wird verwendet, um für Kühlung zu sorgen und die kalte Verfahrensausrüstung bei der erwünschten Temperatur zu halten. Ein gekühlter Lufttrockner, ein Adsorptions-Lufttrockner, ein Aktivkohlefilter, ein zusammenlaufender Filter und Teilchenfilter werden verwendet, um Verunreinigungen aus der Luft zu entfernen. Wärmeaustauscher werden verwendet, um den Einspeisungsgasstrom zu kühlen und die Produktgasströme zu erwärmen. Durch austauschen von Wärme zwischen diesen Strömen kann die erforderliche Kühlung von der Expansi onsvorrichtung minimiert werden, wobei dies Energie spart. Bei diesem Verfahren ist keine Produkt-Wiederkomprimierung notwendig, da der Luftkompressor derart gestaltet ist, daß dieser den Druckabfall in dem System ausgleicht, so daß sich das Stickstoffprodukt, welches den Haupt-Wärmetauscher verläßt, bei dem angegebenen Druck befindet. Tabelle 1A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 1A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 1A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 1A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM This example demonstrates many of the features of a low temperature membrane process. A number of membrane modules are arranged in parallel to achieve the desired separation at the given pressures. A compressor is used to maintain the pressure difference across the membrane. The cold process equipment and piping are well insulated to minimize heat leakage into the system. An expansion device is used to provide cooling and to maintain the cold process equipment at the desired temperature. A refrigerated air dryer, an adsorption air dryer, an activated carbon filter, a converging filter and particulate filters are used to remove contaminants from the air. Heat exchangers are used to cool the feed gas stream and heat the product gas streams. By exchanging heat between these streams, the required cooling can be provided by the expansion ation device, thereby saving energy. No product recompression is necessary in this process because the air compressor is designed to compensate for the pressure drop in the system so that the nitrogen product leaving the main heat exchanger is at the specified pressure. Table 1A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 1A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 1A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 1A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM

TABELLE 1BTABLE 1B NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI EINEM NICHTPERMEATSTROM: HAUPTAUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH EXPANSION DEVICE ON A NON-PERMATE STREAM: MAIN EQUIPMENT SUMMARY HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler. Leistung: 0,73 kg/s Luft bei 1284000 Pa Abgabedruck.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler. Capacity: 0.73 kg/s air at 1284000 Pa discharge pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 242 kW Bremsleistung.Engine power: 242 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

13,8 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.13.8 parallel modules containing 1.4 x 106 PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,71 kg/s bei 1200700 Pa von 4,3ºC bis -56ºC.Power, current 1: 0.71 kg/s at 1200700 Pa from 4.3ºC to -56ºC.

Strom 2: 0,37 kg/s bei 982500 Pa von -63ºC bis - 0,4ºC.Stream 2: 0.37 kg/s at 982500 Pa from -63ºC to - 0.4ºC.

Strom 3: 0,34 kg/s bei 120700 Pa von -60ºC bis - 0,4ºC.Stream 3: 0.34 kg/s at 120700 Pa from -60ºC to - 0.4ºC.

Nutzleistung: 44,4 kW, maximal 4,7ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 44.4 kW, maximum 4.7ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

NEBENKÜHLER-WÄRMETAUSCHERSECONDARY COOLER HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Zwei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Two sets of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,71 kg/s bei 1180000 Pa von -56ºC bis -60ºC.Power, current 1: 0.71 kg/s at 1180000 Pa from -56ºC to -60ºC.

Strom 2: 0,37 kg/s bei 1032000 Pa von -70ºC bis - 63ºC.Stream 2: 0.37 kg/s at 1032000 Pa from -70ºC to -63ºC.

Nutzleistung: 2,9 kW, maximal 3,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 2.9 kW, maximum 3.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Bremsbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 2,35 kW Leistung.Brake-loaded turbo expansion device for extracting 2.35 kW of power.

Leistung: 0,37 kg/s, 99 Prozent Stickstoff bei 1143000 Pa, -64ºC.Performance: 0.37 kg/s, 99 percent nitrogen at 1143000 Pa, -64ºC.

Druckverminderung auf 1003000 Pa.Pressure reduction to 1003000 Pa.

Minimaler Wirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum efficiency: 80 percent isentropic.

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher mit externem Freon-Kühlsystem und Wassertrennbehälter.Heat exchanger with external Freon cooling system and water separation tank.

Leistung: 0,73 kg/s bei 1283000 Pa von 40ºC bis 4,4ºC.Performance: 0.73 kg/s at 1283000 Pa from 40ºC to 4.4ºC.

Erwartete Kühl-Nutzleistung: 36 kW.Expected cooling capacity: 36 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,73 kg/s gesättigte Luft bei 1270000 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.73 kg/s saturated air at 1270000 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 69000 PaMaximum pressure drop: 69000 Pa

Tabelle 1C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 1ATable 1C: Equipment list explanation for Table 1A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

DRYER Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerDRYER molecular sieve adsorption air dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

SUBC kleiner WärmetauscherSUBC small heat exchanger

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

BEISPIEL 2EXAMPLE 2 STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROMNITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE IN THE PERMATE PRODUCT STREAM

Beispiel 2 ist ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Stickstoffproduktstroms aus Luft. Die Stickstoffstrahl-Spezifikationen sind die gleichen wie bei Beispiel 1. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 2 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt- Verfahrensströme ist in Tabelle 2A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 2B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 2C angegeben.Example 2 is also a process for producing an enriched nitrogen product stream from air. The nitrogen jet specifications are the same as Example 1. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 2. A summary of the major process streams is given in Table 2A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 2B. Definitions of abbreviations used are given in Table 2C.

Dieses Verfahren ist ähnlich zu dem bei Beispiel 1 beschriebenen; die Expansionsvorrichtung 229 befindet sich jedoch bei dem sauerstoffangereicherten Niederdruck- Permeatproduktstrom 240, welcher die Membranvorrichtung 233 verläßt, anstatt bei dem stickstoffangereicherten Hochdruck- Nichtpermeatproduktstrom 250. Der kleine Wärmetauscher zwischen dem Haupt-Wärmetauscher 227 und der Membranvorrichtung 233 wurde ebenfalls beseitigt. Aufgrund dieser Änderungen wird die Druckdifferenz bei der Membran 234 kleiner, daher sind mehr Parallelmembranmodule erforderlich. Eine geringe Menge des trockenen Niederdruck-Sauerstoffprodukts 243 kann komprimiert und erwärmt werden und dann verwendet werden, um die inaktive Lage eines Adsorptionstrockners 226 über Leitungen 243 und 244 zu regenerieren. Die Expansionsvorrichtung 229 müßte größer sein, um einen Produktstrom niedrigeren Drucks aufzunehmen. Die Größe weiterer Verfahrensausrüstung kann sich ebenfalls ändern, um verschiedene Stromzustände aufzunehmen. Folglich sind die Kapitalkosten für dieses Verfahren höher als die für Beispiel 1. Die Wiedergewinnung des Verfahrens ist niedriger, daher muß mehr Luft in die Membranvorrichtung 233 eingespeist werden, um die gleiche Menge Stickstoff zu erzeugen. Der Gesamtdruck der Luft, welche den Kompressor 205 verläßt, ist jedoch niedriger, daher sind die Energiekosten für dieses Verfahren geringfügig kleiner als für Beispiel 1.This process is similar to that described in Example 1, however, the expansion device 229 is located on the low pressure oxygen-enriched permeate product stream 240 exiting the membrane device 233 rather than on the high pressure nitrogen-enriched non-permeate product stream 250. The small heat exchanger between the main heat exchanger 227 and the membrane device 233 has also been eliminated. Due to these changes, the pressure differential across the membrane 234 becomes smaller, thus more parallel membrane modules are required. A small amount of the dry low pressure oxygen product 243 can be compressed and heated and then used to regenerate the inactive layer of an adsorption dryer 226 via lines 243 and 244. The expansion device 229 would need to be larger to accommodate a lower pressure product stream. The size of other process equipment can also vary to accommodate different stream conditions. Consequently, the capital costs for this process are higher than those for Example 1. The recovery of the process is lower, so more air must be fed into the membrane device 233 to produce the same amount of nitrogen. However, the total pressure of the air leaving the compressor 205 is lower, so the energy cost for this process is slightly less than for Example 1.

Das Verfahren demonstriert die gleichen Merkmale wie Beispiel 1. Es demonstriert ferner Flexibilität beim Auswählen des Orts der Verfahrensausrüstung und der Anordnung von Verfahrensströmen. Dieses Beispiel demonstriert ferner, wie die Neuanordnung eines Teils der Verfahrensausrüstung die Größe- und Energieanforderungen weiterer Ausrüstung und daher die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinflussen. Tabelle 2A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 2A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 2A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 2A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM The process demonstrates the same features as Example 1. It also demonstrates flexibility in selecting the location of process equipment and the arrangement of process streams. This example further demonstrates how rearranging a piece of process equipment affects the size and power requirements of other equipment and therefore the economics of the process. Table 2A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 2A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 2A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 2A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXPANSION DEVICE ON THE PERMATE PRODUCT STREAM

TABELLE 2BTABLE 2B NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI EINEM PERMEATSTROM: HAUPT-AUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE EXPANSION NITROGEN PROCESS ON PERMATE STREAM: MAIN EQUIPMENT SUMMARY HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler.

Leistung: 0,76 kg/s Luft bei 1100600 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.76 kg/s air at 1100600 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 237 kW Bremsleistung.Engine power: 237 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

18,5 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.18.5 parallel modules containing 1.4 x 106 PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

WÄRMETAUSCHERHEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,74 kg/s bei 1087000 Pa von 4,4ºC bis -60ºC.Power, current 1: 0.74 kg/s at 1087000 Pa from 4.4ºC to -60ºC.

Strom 2: 0,37 kg/s bei 982500 Pa von -64ºC bis 1,4ºC.Stream 2: 0.37 kg/s at 982500 Pa from -64ºC to 1.4ºC.

Strom 3: 0,37 kg/s bei 120700 Pa von -64ºC bis 1,4ºC.Stream 3: 0.37 kg/s at 120700 Pa from -64ºC to 1.4ºC.

Nutzleistung: 49,1 kW, maximal 3,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 49.1 kW, maximum 3.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Bremsbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 1,53 kW Leistung.Brake-loaded turbo expansion device for extracting 1.53 kW of power.

Leistung: 0,37 kg/s, 42 Prozent Sauerstoff bei 131600 Pa, -60ºC.Performance: 0.37 kg/s, 42 percent oxygen at 131600 Pa, -60ºC.

Druckverminderung auf 120700 Pa.Pressure reduction to 120700 Pa.

Minimaler Wirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum efficiency: 80 percent isentropic.

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher mit externem Freon-Kühlsystem und Wassertrennbehälter.Heat exchanger with external Freon cooling system and water separation tank.

Leistung: 0,76 kg/s bei 110060 Pa von 40ºC bis 4,4ºC.Performance: 0.76 kg/s at 110060 Pa from 40ºC to 4.4ºC.

Erwartete Kühl-Nutzleistung: 35 kW.Expected cooling capacity: 35 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,75 kg/s gesättigte Luft bei 109000 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.75 kg/s saturated air at 109000 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 69000 PaMaximum pressure drop: 69000 Pa

Tabelle 2C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 2ATable 2C: Equipment list explanation for Table 2A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

DRYER Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerDRYER molecular sieve adsorption air dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

SUBC kleiner WärmetauscherSUBC small heat exchanger

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

BEISPIEL 3EXAMPLE 3 STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM EXTERNEN KÜHLSYSTEMNITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM

Beispiel 3 ist auch ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Stickstoffproduktstoms aus Luft. Die Spezifikationen des Stickstoffstroms sind die gleichen wie für Beispiel 1. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 3 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt- Verfahrensströme ist in Tabelle 3A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 3B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 3C angegeben.Example 3 is also a process for producing an enriched nitrogen product stream from air. The nitrogen stream specifications are the same as for Example 1. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 3. A summary of the major process streams is given in Table 3A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 3B. Definitions of abbreviations used are given in Table 3C.

Dieses Verfahren ist dem bei Beispiel 1 beschriebenen ähnlich. Ein Einspeisungsgas 310 tritt durch die Bauteile eines Kondensators 305 als Strom 311 hindurch. Die Expansionsvorrichtung ist jedoch entfernt, und der kleine Wärmetauscher zwischen dem Haupt-Wärmetauscher 327 und der Membranvorrichtung 333 ist durch einen Verdunstungskondensator 364 ersetzt, bei welchem die eintretende Luft 331 in einer Gruppe von Durchgängen mit einem eintretenden siedenden Kühlmittel in einer Leitung 362 in der anderen Gruppe von Durchgängen gekühlt wird. Ein kaltes flüssiges Kühlmittel wird durch ein externes Kühlsystem 365 zugeführt, welches hier durch eine einfache einstufige Anordnung dargestellt wird. Bei dieser Anordnung wird das Kühlmittel in einer Leitung 363 durch einen Kompressor 366 auf einen hohen Druck in einer Leitung 360 komprimiert, danach in einem Wärmetauscher 367 kondensiert und einem Austausch mit Umgebungsluft unterzogen. Das kondensierte Kühlmittel in einer Leitung 361 wird durch eine Drosselklappe 368 auf einen Niederdruck expandiert. Das teilweise verdampfte Kühlmittel wird durch eine Leitung 362 in einen Verdunster 364 geleitet, wo ein Austausch davon mit einem Einspeisungsgas in einer Leitung 331 erfolgt. Das Verdunstungskühlmittel in einer Leitung 363, welches aus dem Verdunster 364 austritt, wird zu dem Kühlmittelkompressor 366 zurückgeführt.This process is similar to that described in Example 1. A feed gas 310 passes through the components of a condenser 305 as stream 311. However, the expansion device is removed and the small heat exchanger between the main heat exchanger 327 and the membrane device 333 is replaced by an evaporative condenser 364 in which the incoming air 331 in one set of passes is cooled by an incoming boiling refrigerant in a line 362 in the other set of passes. A cold liquid refrigerant is supplied by an external cooling system 365 which is here represented by a simple single stage arrangement. In this arrangement the refrigerant in a line 363 is compressed by a compressor 366 to a high pressure in a line 360, then condensed in a heat exchanger 367 and subjected to exchange with ambient air. The condensed refrigerant in a line 361 is expanded to a low pressure by a throttle valve 368. The partially evaporated refrigerant is passed through a line 362 into an evaporator 364 where an exchange thereof with a feed gas in a line 331. The evaporative coolant in a line 363 exiting the evaporator 364 is returned to the coolant compressor 366.

Aufgrund dieser Änderungen ist die Druckdifferenz bei der Membran 334 kleiner als bei Beispiel 1, daher sind mehr Parallelmembranmodule erforderlich, jedoch nicht so viele wie bei Beispiel 2. Aufgrund von Änderungen der Verfahrenswiedergewinnung und des Luftkompressordrucks sind die Kosten des Haupt- Luftkompressors 305 für dieses Verfahren niedriger als für die Beispiele 1 und 2. Es entstehen jedoch zusätzliche Energiekosten für den Kühlungskompressor 366.Because of these changes, the pressure differential across the membrane 334 is smaller than in Example 1, so more parallel membrane modules are required, but not as many as in Example 2. Due to changes in process recovery and air compressor pressure, the cost of the main air compressor 305 for this process is lower than for Examples 1 and 2. However, there is an additional energy cost for the cooling compressor 366.

Dieses Verfahren weist die meisten der gleichen Kennmerkmale wie Beispiel 1 auf. Es stellt auch dar, wie die Expansionsvorrichtung durch ein externes Kühlsystem ersetzt werden kann, um die Verfahrensausrüstung bei der gewünschten Temperatur zu halten. Externe Kühlsysteme sind wohlbekannt, und viele Optionen sind verfügbar. Beispielsweise kann das dargestellte einfache einstufige Kühlsystem durch ein mehrstufiges System ersetzt werden. Derartige Änderungen externer Kühlsysteme befinden sich innerhalb des Umfangs von Beispiel 3.This process has most of the same features as Example 1. It also illustrates how the expansion device can be replaced by an external cooling system to maintain the process equipment at the desired temperature. External cooling systems are well known and many options are available. For example, the simple single-stage cooling system illustrated can be replaced by a multi-stage system. Such modifications to external cooling systems are within the scope of Example 3.

Tabelle 3D faßt die Simulationsdaten zusammen, welche durch Beispiele 1-3 erzeugt werden, welche in Tabellen 1A bis 3C beschrieben werden. Leistungsdaten der veröffentlichten Literatur über eine Druckwechseladsorption (PSA) nennen typischerweise eine Energie/100 SCF eines 99-prozentigen Stickstoffprodukts (Abgabedruck 120 psig (827 kPa)) zwischen 0,75 und 1,2 kWh/100 SCF des Produkts, abhängig von der Systemgröße. Die in Tabelle 3D genannten Daten zeigen eine klare Leistungsverbesserung gegenüber gegenwärtiger PSA-Technik im Hinblick auf Energieanforderungen an. Tabelle 3A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM Tabelle 3A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM Tabelle 3A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM Tabelle 3A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM Table 3D summarizes the simulation data generated by Examples 1-3, which are described in Tables 1A through 3C. Published literature performance data for pressure swing adsorption (PSA) typically report energy/100 SCF of 99 percent nitrogen product (120 psig (827 kPa) delivery pressure) between 0.75 and 1.2 kWh/100 SCF of product, depending on system size. The data presented in Table 3D indicate a clear performance improvement over current PSA technology in terms of energy requirements. Table 3A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM Table 3A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM Table 3A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM Table 3A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM

TABELLE 3BTABLE 3B NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EXTERNER KÜHLUNG:LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH EXTERNAL COOLING: HAUPT-AUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGMAIN EQUIPMENT SUMMARY HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler.

Leistung: 0,75 kg/s Luft bei 1115000 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.75 kg/s air at 1115000 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 236 kW Bremsleistung.Engine power: 236 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

17,4 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.17.4 parallel modules containing 1.4 x 106 PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1 : 0,73 kg/s bei 1032000 Pa von 4,4ºC bis -58ºC.Power, current 1 : 0.73 kg/s at 1032000 Pa from 4.4ºC to -58ºC.

Strom 2: 0,37 kg/s bei 982500 Pa von -64ºC bis 1,4ºC.Stream 2: 0.37 kg/s at 982500 Pa from -64ºC to 1.4ºC.

Strom 3: 0,36 kg/s bei 120700 Pa von -60ºC bis 1,4ºC.Stream 3: 0.36 kg/s at 120700 Pa from -60ºC to 1.4ºC.

Nutzleistung: 46,7 kW, maximal 3,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 46.7 kW, maximum 3.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher mit externem Freon-Kühlsystem und Wassertrennbehälter.Heat exchanger with external Freon cooling system and water separation tank.

Leistung: 0,74 kg/s bei 1115000 Pa von 40ºC bis 4,4ºC.Performance: 0.74 kg/s at 1115000 Pa from 40ºC to 4.4ºC.

Erwartete Kühl-Nutzleistung: 34 kW.Expected cooling capacity: 34 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,74 kg/s gesättigte Luft bei 1101000 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.74 kg/s saturated air at 1101000 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 69000 PaMaximum pressure drop: 69000 Pa

EXTERNER KÜHLUNGSKOMPRESSOREXTERNAL COOLING COMPRESSOR

Freon-13-Hubkolbenkompressor mit einer Leistung zum Komprimieren von 0,058 kg/s Freon-13-Dampf bei 3745000 Pa, 97ºC zu Flüssigkeit bei 27ºC mit Umgebungsluft von 20ºC.Freon-13 reciprocating compressor with a capacity to compress 0.058 kg/s Freon-13 vapor at 3745000 Pa, 97ºC to liquid at 27ºC with ambient air at 20ºC.

Erwartete Nutzleistung: 6,28 kW.Expected net power: 6.28 kW.

EXTERNER KÜHLUNGSKONDENSATOREXTERNAL COOLING CONDENSER

Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kondensieren von 0,058 kg/s Freon-13-Dampf bei 3745000 Pa, 97ºC zu Flüssigkeit bei 27ºC mit Umgebungsluft von 20ºC.Heat exchanger with a capacity to condense 0.058 kg/s Freon-13 vapor at 3745000 Pa, 97ºC to liquid at 27ºC with ambient air at 20ºC.

Erwartete Nutzleistung: 6,28 kWExpected net power: 6.28 kW

EXTERNER KÜHLUNGSVERDUNSTEREXTERNAL COOLING EVAPORATOR

Verdunstungs-Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kühlen von 0,73 kg/s Luft bei 1012000 Pa von -58ºC bis -60ºC mit siedendem Freon-13 von -66ºC.Evaporative heat exchanger with a capacity to cool 0.73 kg/s of air at 1012000 Pa from -58ºC to -60ºC with Freon-13 boiling at -66ºC.

Erwartete Nutzleistung: 1,5 kW.Expected net power: 1.5 kW.

Tabelle 3C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 3ATable 3C: Equipment list explanation for Table 3A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

SEPARAT Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerSEPARAT Molecular Sieve Adsorption Air Dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

EVAP Externer KühlungsverdunsterEVAP External Cooling Evaporator

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

RCOMPR Externer KühlungskompressorRCOMPR External cooling compressor

RCNDNS Externer KühlungskondensatorRCNDNS External cooling condenser

RJT Externes Kühlungs-Expansionsventil TABELLE 3D ZUSAMMENFASSUNG VON STICKSTOFFVERFAHREN RJT External Cooling Expansion Valve TABLE 3D SUMMARY OF NITROGEN PROCESSES

BEISPIEL 4EXAMPLE 4 STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM EXTERNEN KÜHLSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNENNITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING

Beispiel 4 ist auch ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Stickstoffproduktstroms aus Luft. Die Spezifikationen des Stickstoffstroms sind die gleichen wie für Beispiel 1. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 4 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt- Verfahrensströme ist in Tabelle 4A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 4B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 4C angegeben.Example 4 is also a process for producing an enriched nitrogen product stream from air. The specifications of the nitrogen stream are the same as for Example 1. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 4. A summary of the major process streams is given in Table 4A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 4B. Definitions of abbreviations used are given in Table 4C.

Dieses Verfahren ist ähnlich zu dem bei Beispiel 3 beschriebenen. Der gekühlte Luftkühler und der Trennbehälter zwischen dem Luftkompressor 405 und dem Adsorptions- Lufttrockner 426 wurden jedoch durch eine Gruppe von Parallelmembranvorrichtungen 414 ersetzt, welche vorzugsweise Wasser durchlassen, während diese im wesentlichen keine weiteren Luftbestandteile durchlassen. Ein größerer Anteil des trockenen sauerstoffangereicherten Permeatstroms 472 muß geringfügig komprimiert werden, um als Spülgas in den Niederdruckdurchgängen der Dehydrierungsmembranvorrichtungen 414 zu wirken. Aufgrund der Tatsache, daß erwartet wird, daß diese Vorrichtung die Luft bis zu einem Taupunkt von deutlich unter 0ºC trocknet, wäre der Adsorptions-Lufttrockner 426 erheblich kleiner. Aufgrund der Tatsache jedoch, daß die Luft bei diesem Punkt nicht mehr gekühlt wird, muß der Haupt-Wärmetauscher 427 etwas größer sein. Der Rest der Verfahrensausrüstung bei diesem Beispiel ist der Verfahrensausrüstung bei Beispiel 3 ähnlich.This process is similar to that described in Example 3. However, the refrigerated air cooler and separation vessel between the air compressor 405 and the adsorption air dryer 426 have been replaced by a set of parallel membrane devices 414 which preferentially pass water while essentially not passing other air constituents. A larger portion of the dry oxygen-enriched permeate stream 472 must be slightly compressed to act as a sweep gas in the low pressure passages of the dehydration membrane devices 414. Due to the fact that this device is expected to dry the air to a dew point well below 0°C, the adsorption air dryer 426 would be considerably smaller. However, due to the fact that the air is no longer cooled at this point, the main heat exchanger 427 must be somewhat larger. The remainder of the process equipment in this Example is similar to the process equipment in Example 3.

Dieses Beispiel demonstriert die Vielfalt verfügbarer Wahlmöglichkeiten zum Entfernen von Verunreinigungen aus dem Einspeisungsgas des Verfahrens. Es stellt ferner dar, wie Membranvorrichtungen in Reihe und bei verschiedenen Temperaturen bei einem Niedertemperatur-Membranverfahren betrieben werden können. Tabelle 4A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNEN Tabelle 4A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNEN Tabelle 4A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNEN Tabelle 4A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNEN Tabelle 4A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EINEM ÄUSSEREN KÜHLUNGSSYSTEM UND DEHYDRIERUNGSMEMBRANEN ZUM LUFTTROCKNEN This example demonstrates the variety of choices available for removing contaminants from the process feed gas. It also illustrates how membrane devices can be operated in series and at different temperatures in a low temperature membrane process. Table 4A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING Table 4A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING Table 4A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING Table 4A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING Table 4A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM AND DEHYDRATION MEMBRANES FOR AIR DRYING

TABELLE 4BTABLE 4B NIEDERTEMPERATUR-STICKSTOFFVERFAHREN MIT EXTERNER KÜHLUNG: DEHYDRIERUNGSMEMBRANLOW TEMPERATURE NITROGEN PROCESS WITH EXTERNAL COOLING: DEHYDRATION MEMBRANE

Lufttrockner: Haupt-AusrüstungszusammenfassungAir Dryer: Main Equipment Summary

HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler.

Leistung: 0,74 kg/s Luft bei 1070000 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.74 kg/s air at 1070000 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 228 kW Bremsleistung.Engine power: 228 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

17,4 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.17.4 parallel modules containing 1.4 x 106 PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,73 kg/s bei 1032000 Pa von 40ºC bis - 58ºC.Power, current 1: 0.73 kg/s at 1032000 Pa from 40ºC to -58ºC.

Strom 2: 0,37 kg/s bei 982500 Pa von -63ºC bis 37ºC.Stream 2: 0.37 kg/s at 982500 Pa from -63ºC to 37ºC.

Strom 3: 0,36 kg/s bei 120700 Pa von -60ºC bis 37ºC.Stream 3: 0.36 kg/s at 120700 Pa from -60ºC to 37ºC.

Nutzleistung: 73,1 kW, maximal 3,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 73.1 kW, maximum 3.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

DEHYDRIERUNGSMEMBRANENDEHYDRATION MEMBRANES

10 spiralig gewickelte Module, welche 20 Perfluoro- Sulfonsäure-Membranblätter (PFSA-Membranblätter) enthalten.10 spiral wound modules containing 20 perfluorosulfonic acid (PFSA) membrane sheets.

Blattlänge (m): 0,5Blade length (m): 0.5

Blattdicke (m): 5,08 · 10&supmin;&sup5;Sheet thickness (m): 5.08 x 10&supmin;&sup5;

Blattbreite (m): 1,0Blade width (m): 1.0

DEHYDRIERUNGSMEMBRANGEBLÄSEDEHYDRATION DIAPHRAGM BLOWER

Zentrifugalgebläse mit Nachkühler. Motorleistung: 3,6 kW Bremsleistung.Centrifugal fan with aftercooler. Engine power: 3.6 kW Braking power.

Leistung: 0,1 kg/s 43-prozentiges O&sub2; bei 131000 Pa Abgabedruck, 40ºC.Output: 0.1 kg/s 43% O2 at 131000 Pa discharge pressure, 40ºC.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,73 kg/s Luft bei 1101000 Pa, 40ºC mit einem Taupunkt von -17ºC.Capacity: 0.73 kg/s air at 1101000 Pa, 40ºC with a dew point of -17ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 27600 PaMaximum pressure drop: 27600 Pa

EXTERNER KÜHLUNGSKOMPRESSOREXTERNAL COOLING COMPRESSOR

Freon-13-Hubkolbenkompressor mit einer Leistung zum Komprimieren von 0,068 kg/s von 202430 Pa auf 3745000 Pa Abgabedruck.Freon-13 reciprocating compressor with a capacity to compress 0.068 kg/s from 202430 Pa to 3745000 Pa discharge pressure.

Motorleistung: 5,6 kW Bremsleistung.Engine power: 5.6 kW braking power.

EXTERNER KÜHLUNGSKONDENSATOREXTERNAL COOLING CONDENSER

Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kondensieren von 0,068 kg/s Freon-13-Dampf bei 3745000 Pa, 97ºC zu einer Flüssigkeit bei 27ºC mit einer Umgebungsluft von 20ºC.Heat exchanger with a capacity to condense 0.068 kg/s of Freon-13 vapor at 3745000 Pa, 97ºC to a liquid at 27ºC with an ambient air of 20ºC.

Erwartete Nutzleistung: 7,4 kW.Expected net power: 7.4 kW.

EXTERNER KÜHLUNGSVERDUNSTEREXTERNAL COOLING EVAPORATOR

Verdunstungs-Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kühlen von 0,73 kg/s Luft bei 1012000 Pa von -58ºC bis -60ºC mit siedendem Freon-13 von -66ºC.Evaporative heat exchanger with a capacity to cool 0.73 kg/s of air at 1012000 Pa from -58ºC to -60ºC with Freon-13 boiling at -66ºC.

Erwartete Nutzleistung: 1,8 kW.Expected net power: 1.8 kW.

Tabelle 4C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 4ATable 4C: Equipment list explanation for Table 4A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

DEHYDRAT DehydrierungsmembranmoduleDEHYDRATE dehydration membrane modules

DRYER Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerDRYER molecular sieve adsorption air dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

EVAP Externer KühlungsverdunsterEVAP External Cooling Evaporator

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

RCOMPR Externer KühlungskompressorRCOMPR External cooling compressor

RCNDNS Externer KühlungskondensatorRCNDNS External cooling condenser

RJT Externes Kühlungs-ExpansionsventilRJT External Cooling Expansion Valve

SPLITTER AbgasstromteilerSPLITTER exhaust flow divider

BLOWER Dehydrierungs-SpülgasgebläseBLOWER Dehydration purge gas blower

BCOOLER Gebläse-NachkühlerBCOOLER fan aftercooler

BEISPIEL 5EXAMPLE 5 SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN PRODUKTKOMPRESSOROXYGEN PROCESS WITH A PRODUCT COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXPANSION DEVICE

Beispiel 5 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Sauerstoffproduktstroms aus Luft. Die Sauerstoffstrom- Spezifikationen sind eine Flußgeschwindigkeit von 10 000 Norm- Kubikfuß pro Stunde (SCFH) (283 Kubikmeter pro Stunde) bei einem Druck von 40 psia (276 kPa) mit einer Sauerstoffkonzentration von 65 Prozent auf einer molaren Basis. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt-Verfahrensströme ist in Tabelle 5A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 5B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 5C angegeben.Example 5 is a process for producing an enriched oxygen product stream from air. The oxygen stream specifications are a flow rate of 10,000 standard cubic feet per hour (SCFH) (283 cubic meters per hour) at a pressure of 40 psia (276 kPa) with an oxygen concentration of 65 percent on a molar basis. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 5. A summary of the major process streams is given in Table 5A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 5B. Definitions of abbreviations used are given in Table 5C.

Einspeisungsluft 510 des Verfahrens ist aus der Atmosphäre bei Umgebungsdruck, -temperatur und -feuchtigkeit erhältlich und muß komprimiert werden. Der Luftkomprimierungs- und Luftreinigungsabschnitt 505, 521, 523 und 526 dieses Verfahrens ist dem von Beispiel 1 ähnlich. Es ist jedoch ein kalter Abgasstrom 572 aus diesem Verfahren erhältlich, und dieser kann verwendet werden, um das Kühlmittel in dem Luftkühler 521 zwischen dem Einspeisungsluft-Kompressor 505 und dem Adsorptionstrockner 526 zu ersetzen. Der komprimierte, gereinigte Luftstrom 530 wird in einen kleinen Wärmetauscher 527 eingespeist, wo dieser mit einem Erwärmungsabschnitt des stickstoffangereicherten Nichtpermeat-Abgasstroms 553 gekühlt wird. Die gekühlte Luft 531 wird dann in verschiedene Parallelmembranvorrichtungen 533 eingeleitet, wo eine Trennung stattfindet. Der stickstoffangereicherte Hochdruck-Nichtpermeatstrom, welcher die Membranvorrichtungen 533 über die Leitung 550/552 verläßt, wird danach in der Expansionsvorrichtung 529 auf einen Beinahe-Umgebungsdruck 569 expandiert, und ein Teil dieses Stroms 553 tritt in eine Gruppe von Durchgängen in dem Wärmetauscher 527 ein, wo dieser mit dem Kühlungs-Einspeisungsluftstrom 530 gekühlt wird. Der Strom 555 wird mit dem kälteren Teil 554, welcher nicht durch den Wärmetauscher 527 floß, wiedervereinigt, und der größte Teil des Stroms 570 wird in die Atmosphäre abgelassen. Ein Teil des trockenen, kalten, stickstoffangereicherten Nichtpermeat-Abgasstroms 571 kann verwendet werden, um eine Lage des Adsorptionstrockners 526 zu regenerieren, und ein weiterer Abschnitt 572 kann verwendet werden, um den Luftstrom 512 nach dem Einspeisungskompressor 505 zu komprimieren. Das sauerstoffangereicherte Niederdruck-Nichtpermeatprodukt 540 von der Membranvorrichtung 533 wird in einen Produktkompressor 574 eingespeist, wo dieses auf den gewünschten Produktdruck 541 komprimiert wird. Dieser Kompressor kann durch die Expansionsvorrichtung 529 über einen Wellen- bzw. Riemenantrieb 575 angetrieben werden, oder die Expansionsvorrichtung kann einen elektrischen Generator 576 antreiben.Process feed air 510 is available from the atmosphere at ambient pressure, temperature and humidity and must be compressed. The air compression and air purification section 505, 521, 523 and 526 of this process is similar to that of Example 1. However, a cold exhaust stream 572 is available from this process and this can be used to replace the coolant in the air cooler 521 between the feed air compressor 505 and the adsorption dryer 526. The compressed, purified air stream 530 is fed into a small heat exchanger 527 where it is cooled with a heating section of the nitrogen-enriched non-permeate exhaust stream 553. The cooled air 531 is then introduced into various parallel membrane devices 533 where separation takes place. The nitrogen-enriched high pressure non-permeate stream leaving the membrane devices 533 via line 550/552, is then expanded to near ambient pressure 569 in the expander 529 and a portion of this stream 553 enters a set of passes in the heat exchanger 527 where it is cooled with the cooling feed air stream 530. The stream 555 is recombined with the colder portion 554 that did not pass through the heat exchanger 527 and most of the stream 570 is vented to the atmosphere. A portion of the dry, cold, nitrogen-enriched non-permeate exhaust stream 571 may be used to regenerate one layer of the adsorption dryer 526 and another portion 572 may be used to compress the air stream 512 after the feed compressor 505. The oxygen-enriched low pressure non-permeate product 540 from the membrane device 533 is fed to a product compressor 574 where it is compressed to the desired product pressure 541. This compressor may be driven by the expander 529 via a shaft or belt drive 575, or the expander may drive an electrical generator 576.

Dieses Beispiel demonstriert sowohl die Verwendung eines Niedertemperatur-Membranverfahrens zum Erzeugen eines sauerstoffangereicherten Permeatproduktstroms als auch, wie das Permeatprodukt wieder auf einen höheren Druck komprimiert werden kann, um nützlich zu sein. Dieses Beispiel demonstriert ferner, das ein Verfahren nicht sorgfältig gestaltet zu werden braucht, um die Kühlungsanforderung zu vermindern. Aufgrund der Tatsache, daß 75 Prozent des Einspeisungsflusses dieses Verfahrens verfügbar sind, um von Hochdruck auf Niederdruck expandiert zu werden, steht ein beträchtlicher Kühlungsüberschuß zur Verfügung. Tabelle 5A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN KOMPRESSOR Tabelle 5A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN KOMPRESSOR Tabelle 5A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN KOMPRESSOR Tabelle 5A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN KOMPRESSOR This example demonstrates both the use of a low temperature membrane process to produce an oxygen-enriched permeate product stream and how the permeate product can be recompressed to a higher pressure to be useful. This example further demonstrates that a process does not need to be carefully designed to reduce the cooling requirement. Due to the fact that 75 percent of the feed flow of this process is available to be expanded from high pressure to low pressure, a significant excess of cooling is available. Table 5A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXPANSION DEVICE Table 5A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXPANSION DEVICE Table 5A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXPANSION DEVICE Table 5A POWER SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A COMPRESSOR DRIVEN BY AN EXPANSION DEVICE

TABELLE 5BTABLE 5B NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINEM DURCH EINE EXPANSIONSVORRICHTUNG ANGETRIEBENEN SAUERSTOFFKOMPRESSOR: Haupt- AusrüstungszusammenfassungLOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS USING AN EXPANSION DEVICE DRIVEN OXYGEN COMPRESSOR: Main Equipment Summary HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler.

Leistung: 0,41 kg/s Luft bei 1238000 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.41 kg/s air at 1238000 Pa discharge pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 131 kW Bremsleistung.Engine power: 131 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

7 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.7 parallel modules containing 1.4 · 10⁶ PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Zwei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Two sets of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,40 kg/s bei 1155000 Pa von 4,3ºC bis -80ºC.Power, current 1: 0.40 kg/s at 1155000 Pa from 4.3ºC to -80ºC.

Strom 2: 0,23 kg/s bei 122000 Pa von -157ºC bis - 5,7ºC.Stream 2: 0.23 kg/s at 122000 Pa from -157ºC to - 5.7ºC.

Nutzleistung: 35,2 kW, maximal 10ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 35.2 kW, maximum 10ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 13800 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 13800 Pa at any flow.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Generatorbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 17,6 kW Leistung.Generator-loaded turbo expansion device for extracting 17.6 kW of power.

Leistung: 0,30 kg/s, 92 Prozent Stickstoff bei 1122000 Pa, -80ºC.Performance: 0.30 kg/s, 92 percent nitrogen at 1122000 Pa, -80ºC.

Druckverminderung auf 122000 Pa.Pressure reduction to 122000 Pa.

Minimaler Wirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum efficiency: 80 percent isentropic.

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher, welcher durch einen Stickstoff-Abgasstrom gekühlt wird, und Wassertrennbehälter.Heat exchanger, which is cooled by a nitrogen exhaust stream, and water separation tank.

Leistung, Strom 1: 0,40 kg/s bei 1283000 Pa von 40ºC bis 4,4ºC.Power, current 1: 0.40 kg/s at 1283000 Pa from 40ºC to 4.4ºC.

Strom 2: 0,30 kg/s bei 114000 Pa von -43ºC bis 5ºC.Flow 2: 0.30 kg/s at 114000 Pa from -43ºC to 5ºC.

Nutzleistung: 18,6 kW.Net power: 18.6 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,40 kg/s gesättigte Luft bei 1224000 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.40 kg/s saturated air at 1224000 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -80ºC bei Druck.Dew point requirement: -80ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 69000 PaMaximum pressure drop: 69000 Pa

SAUERSTOFFKOMPRESSOROXYGEN COMPRESSOR

Zentrifugalkompressor mit Nachkühler.Centrifugal compressor with aftercooler.

Leistung: 0,10 kg/s 65-prozentiger Sauerstoff bei 276000 Pa Abgabedruck.Output: 0.10 kg/s 65% oxygen at 276000 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 7,5 kW Bremsleistung.Engine power: 7.5 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

Tabelle 5C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 5ATable 5C: Equipment list explanation for Table 5A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

SEPARAT Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerSEPARAT Molecular Sieve Adsorption Air Dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

N2SPLIT Wärmetauscher-UmgehungsteilerN2SPLIT heat exchanger bypass divider

N2MIX Wärmetauscher-UmgehungsmischerN2MIX heat exchanger bypass mixer

O2COMPR ProduktsauerstoffkompressorO2COMPR Product Oxygen Compressor

BEISPIEL 6EXAMPLE 6 SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINER PERMEAT-VAKUUMPUMPEOXYGEN PROCESS WITH A PERMATE VACUUM PUMP

Beispiel 6 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Sauerstoff-Permeatstroms aus Luft. Die Sauerstoffstrom-Spezifikationen sind die gleichen wie bei Beispiel 5, außer, daß sich der Stromdruck bei 20 psia (138 kPa) befindet. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt- Verfahrensströme ist in Tabelle 6A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 6B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 6C angegeben.Example 6 is a process for producing an enriched oxygen permeate stream from air. The oxygen stream specifications are the same as Example 5 except that the stream pressure is at 20 psia (138 kPa). A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 6. A summary of the major process streams is given in Table 6A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 6B. Definitions of abbreviations used are given in Table 6C.

Die Ausrüstungsanordnung bei diesem Verfahren ist der von Beispiel 3 ähnlich; die Hochdruck-Durchgänge der Membranvorrichtung 633 werden jedoch bei einem wesentlich niedrigeren Druck gehalten, und die Niederdruck-Durchgänge der Membranvorrichtung werden unter Vakuum gehalten. Folglich wird der vierstufige Luftkompressor von Beispiel 3 hier durch einen einstufigen Kompressor 605 ersetzt. Ferner wird der Permeatstrom 641, welcher den Haupt-Wärmetauscher 627 verläßt, in eine Vakuumpumpe 680 eingespeist, welche als zweistufiger Hubkolbentyp dargestellt ist. Aufgrund der niedrigeren Druckdifferenz bei der Membran 634 muß bei diesem Beispiel eine erheblich größere Anzahl von Membranvorrichtungen als bei Beispiel 5 verwendet werden. Ferner ist, da ein Betrieb bei niedrigerem Druck einen wesentlich höheren Druckabfall bei der gleichen Masseflußgeschwindigkeit bewirkt, ein großer Teil der Verfahrensausrüstung erheblich größer, um Druckabfälle klein zu halten. Dies umfaßt die Luftreinigungsausrüstung, Wärmetauscher und Verrohrung. Vakuumpumpen sind normalerweise erheblich we niger wirksam als Kompressoren, was zu höheren Energiekosten führt.The equipment arrangement in this process is similar to that of Example 3, however, the high pressure passages of the membrane device 633 are maintained at a substantially lower pressure and the low pressure passages of the membrane device are maintained under vacuum. Thus, the four stage air compressor of Example 3 is replaced here by a single stage compressor 605. Further, the permeate stream 641 exiting the main heat exchanger 627 is fed to a vacuum pump 680, which is shown as a two stage reciprocating piston type. Due to the lower pressure differential across the membrane 634, a significantly larger number of membrane devices must be used in this example than in Example 5. Furthermore, since operation at lower pressure results in a substantially higher pressure drop for the same mass flow rate, much of the process equipment is significantly larger to keep pressure drops small. This includes the air cleaning equipment, heat exchangers and piping. Vacuum pumps are typically significantly smaller. less effective than compressors, which leads to higher energy costs.

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung einer Vakuumpumpe in Verbindung mit einem Kompressor, um eine Druckdifferenz bei den Membranvorrichtungen aufrechtzuerhalten. Es demonstriert ferner die Verwendung einer Vakuumpumpe zum Ändern des Drucks eines Produktstroms. Es demonstriert ferner die Verwendung einer Membranvorrichtung bei einer geringeren Druckdifferenz, als gewöhnlich bevorzugt wird. Tabelle 6A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINER VAKUUMPUMPE BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 6A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINER VAKUUMPUMPE BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 6A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINER VAKUUMPUMPE BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM Tabelle 6A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT EINER VAKUUMPUMPE BEI DEM PERMEATPRODUKTSTROM This example demonstrates the use of a vacuum pump in conjunction with a compressor to maintain a pressure differential across the membrane devices. It further demonstrates the use of a vacuum pump to change the pressure of a product stream. It further demonstrates the use of a membrane device at a lower pressure differential than is usually preferred. Table 6A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A VACUUM PUMP ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 6A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A VACUUM PUMP ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 6A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A VACUUM PUMP ON THE PERMATE PRODUCT STREAM Table 6A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH A VACUUM PUMP ON THE PERMATE PRODUCT STREAM

TABELLE 6BTABLE 6B NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT PERMEAT-VAKUUMPUMPE:LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH PERMATE VACUUM PUMP: HAUPT-AUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGMAIN EQUIPMENT SUMMARY HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

1-stufiger Kompressor mit Nachkühler.1-stage compressor with aftercooler.

Leistung: 0,71 kg/s Luft bei 334400 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.71 kg/s air at 334400 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 72 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 72 percent isentropic.

Motorleistung: 130 kW Bremsleistung.Engine power: 130 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

14 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A-Fasern enthalten.14 parallel modules containing 1.4 · 10⁶ PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,69 kg/s bei 265500 Pa von 4,3ºC bis - 56ºC.Power, current 1: 0.69 kg/s at 265500 Pa from 4.3ºC to -56ºC.

Strom 2: 0,59 kg/s bei 124100 Pa von -64ºC bis 0,3ºC.Stream 2: 0.59 kg/s at 124100 Pa from -64ºC to 0.3ºC.

Strom 3: 0,10 kg/s bei 20690 Pa von -60ºC bis 0,3ºC.Current 3: 0.10 kg/s at 20690 Pa from -60ºC to 0.3ºC.

Nutzleistung: 42,1 kW, maximal 4ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 42.1 kW, maximum 4ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20680 Pa bei Strom 1 & 2, 13800 Pa bei Strom 3.Maximum pressure drop: 20680 Pa on stream 1 & 2, 13800 Pa on stream 3.

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher mit externem Freon-Kühlsystem und Wassertrennbehälter.Heat exchanger with external Freon cooling system and water separation tank.

Leistung: 0,70 kg/s bei 334500 Pa von 43ºC bis 4,4ºC.Performance: 0.70 kg/s at 334500 Pa from 43ºC to 4.4ºC.

Erwartete Kühl-Nutzleistung: 40 kW.Expected cooling capacity: 40 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,69 kg/s gesättigte Luft bei 320700 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.69 kg/s saturated air at 320700 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 34500 PaMaximum pressure drop: 34500 Pa

VAKUUMPUMPEVACUUM PUMP

Zweistufige Hubkolben-Vakuumpumpe mit Zwischenkühler und Nachkühler.Two-stage reciprocating piston vacuum pump with intercooler and aftercooler.

Leistung: 0,10 kg/s 65-prozentiger Sauerstoff bei 131000 Pa Abgabedruck.Output: 0.10 kg/s 65% oxygen at 131000 Pa delivery pressure.

Einspeisungsdruck: 6900 Pa.Feed pressure: 6900 Pa.

Motorleistung: 50,6 kW Bremsleistung bei Annahme eines Polytropen-Wirkungsgrads von 72 Prozent.Engine power: 50.6 kW braking power assuming a polytropic efficiency of 72 percent.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

EXTERNER KÜHLUNGSKOMPRESSOREXTERNAL COOLING COMPRESSOR

Freon-13-Hubkolbenkompressor mit einer Leistung zum Komprimieren von 0,10 kg/s von 202430 Pa auf 3745000 Pa Abgabedruck.Freon-13 reciprocating compressor with a capacity to compress 0.10 kg/s from 202430 Pa to 3745000 Pa discharge pressure.

Motorleistung: 8,25 kW Bremsleistung.Engine power: 8.25 kW braking power.

EXTERNER KÜHLUNGSKONDENSATOREXTERNAL COOLING CONDENSER

Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kondensieren von 0,10 kg/s Freon-13-Dampf bei 3745000 Pa, 97ºC zu einer Flüssigkeit bei 27ºC mit einer Umgebungsluft von 20ºC.Heat exchanger with a capacity to condense 0.10 kg/s of Freon-13 vapor at 3745000 Pa, 97ºC to a liquid at 27ºC with an ambient air of 20ºC.

erwartete Nutzleistung: 11,0 kW.Expected net power: 11.0 kW.

EXTERNER KÜHLUNGSVERDUNSTEREXTERNAL COOLING EVAPORATOR

Verdunstungs-Wärmetauscher mit einer Leistung zum Kühlen von 0,69 kg/s Luft bei 265500 Pa von -58ºC bis -60ºC mit siedendem Freon-13 von -66ºC.Evaporative heat exchanger with a capacity to cool 0.69 kg/s of air at 265500 Pa from -58ºC to -60ºC with Freon-13 boiling at -66ºC.

Erwartete Nutzleistung: 2,6 kW.Expected net power: 2.6 kW.

Tabelle 6C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 6ATable 6C: Equipment list explanation for Table 6A

BLOWER Haupt-LuftgebläseBLOWER Main air blower

COOLER Gebläse-NachkühlerCOOLER fan aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

SEPARAT Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerSEPARAT Molecular Sieve Adsorption Air Dryer

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

EVAP Externer KühlungsverdunsterEVAP External Cooling Evaporator

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

RCOMPR Externer KühlungskompressorRCOMPR External cooling compressor

RCNDNS Externer KühlungskondensatorRCNDNS External cooling condenser

RJT Externes Kühlungs-ExpansionsventilRJT External Cooling Expansion Valve

BEISPIEL 7EXAMPLE 7 SAUERSTOFFSYSTEM MIT MEMBRANVORRICHTUNGEN IN KASKADEN UND EINEM RÜCKFÜHRUNGSSTROMOXYGEN SYSTEM WITH MEMBRANE DEVICES IN CASCADES AND A RECYCLE FLOW

Beispiel 7 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Sauerstoff-Permeatproduktstroms aus Luft. Die Sauerstoffstrom-Spezifikationen sind die gleichen wie bei Beispiel 5, außer, daß der Strom eine Sauerstoffkonzentration von 85 Prozent auf einer molaren Basis aufweist. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für dieses Verfahren ist in Fig. 7 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt-Verfahrensströme ist in Tabelle 7A angegeben, und eine Zusammenfassungs-Beschreibungsliste der Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 7B angegeben. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 7C angegeben.Example 7 is a process for producing an enriched oxygen permeate product stream from air. The oxygen stream specifications are the same as Example 5 except that the stream has an oxygen concentration of 85 percent on a molar basis. A simplified flow diagram for this process is shown in Figure 7. A summary of the major process streams is given in Table 7A and a summary description list of the major process equipment is given in Table 7B. Definitions of abbreviations used are given in Table 7C.

Dieses Verfahren ist Beispiel 5 ähnlich. Hier wird jedoch der Permeatstrom 740 von der ersten Gruppe von Parallelmembranvorrichtungen 733 bei mittlerem anstatt bei niedrigem Druck erzeugt, und der Permeatstrom 740 wird als Einspeisung in eine zweite Gruppe von Membranvorrichtungen 735 verwendet. Der Niederdruck-Permeatstrom 741 von der zweiten Gruppe von Membranvorrichtungen 735 ist das erwünschte Produkt, und der Nichtpermeatstrom 760 mittleren Drucks wird durch den Haupt- Wärmetauscher 727 zu dem Einlaß der dritten Stufe des vierstufigen Kompressors durch eine Leitung 761 zurückgeführt. Diese Kaskadenbildung von Membranvorrichtungen ermöglicht, daß höhere Produktsauerstoffkonzentrationen als bei einer einzigen Gruppe von Vorrichtungen erreicht werden können. Der Nichtpermeatstrom 760, welcher die zweite Gruppe von Membranvorrichtungen 735 verläßt, enthält 35 Prozent Sauerstoff, daher trägt ein Rückführen des Stroms zu dem Luftkompressor 705 dazu bei, den Sauerstoffgehalt des Einspeisungsstroms 731 zu der ersten Gruppe von Membranvorrichtungen 733 zu erhöhen, wobei derart die Antriebskräfte für eine Sauerstoff-Permeation durch die Membranen erhöht werden. Ein Rückführen eines Strahls mittleren Drucks trägt ferner dazu bei, den Energieverbrauch zu senken.This procedure is similar to Example 5. However, here the permeate stream 740 from the first group of parallel membrane devices 733 is produced at medium pressure rather than low pressure, and the permeate stream 740 is used as feed to a second group of membrane devices 735. The low pressure permeate stream 741 from the second group of membrane devices 735 is the desired product, and the medium pressure non-permeate stream 760 is recycled through the main heat exchanger 727 to the inlet of the third stage of the four-stage compressor through a line 761. This cascading of membrane devices allows higher product oxygen concentrations to be achieved than with a single group of devices. The non-permeate stream 760 exiting the second group of membrane devices 735 contains 35 percent oxygen, so recycling the stream to the air compressor 705 helps to increase the oxygen content of the feed stream 731 to the first group of membrane devices 733, thereby increasing the driving forces for oxygen permeation through the membranes. Recirculating a medium pressure jet also helps to reduce energy consumption.

Dieses Beispiel demonstriert, wie Mehrfach- Membranvorrichtungen bei einer Anordnung in Kaskaden verwendet werden kann, um höhere Permeatproduktreinheiten zu erreichen, und wie Rückführungsströme verwendet werden können, um die Wiedergewinnung und Energiewirksamkeit eines Verfahrens zu steigern.This example demonstrates how multiple membrane devices can be used in a cascade arrangement to achieve higher permeate product purities and how recycle streams can be used to increase the recovery and energy efficiency of a process.

Siehe Tabelle 7D für eine Zusammenfassung der Simulationsdaten, welche durch Beispiele 5-7 erzeugt werden und in Tabellen 5A bis 7C beschrieben sind. Tabelle 7A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT MEMBRANVORRICHTUNGEN IN KASKADEN UND EINEM RÜCKFÜHRSTROM Tabelle 7A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT MEMBRANVORRICHTUNGEN IN KASKADEN UND EINEM RÜCKFÜHRSTROM Tabelle 7A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT MEMBRANVORRICHTUNGEN IN KASKADEN UND EINEM RÜCKFÜHRSTROM Tabelle 7A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT MEMBRANVORRICHTUNGEN IN KASKADEN UND EINEM RÜCKFÜHRSTROM See Table 7D for a summary of the simulation data generated by Examples 5-7 and described in Tables 5A through 7C. Table 7A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH CASCADED MEMBRANE DEVICES AND ONE RECYCLE STREAM Table 7A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH CASCADED MEMBRANE DEVICES AND ONE RECYCLE STREAM Table 7A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH CASCADED MEMBRANE DEVICES AND ONE RECYCLE STREAM Table 7A STREAM SUMMARY FOR A LOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH CASCADED MEMBRANE DEVICES AND ONE RECYCLE STREAM

TABELLE 7BTABLE 7B NIEDERTEMPERATUR-SAUERSTOFFVERFAHREN MIT MEMBRANMODULEN IN KASKADEN: Haupt-AusrüstungszusammenfassungLOW TEMPERATURE OXYGEN PROCESS WITH MEMBRANE MODULES IN CASCADE: Main Equipment Summary HAUPT-LUFTKOMPRESSORMAIN AIR COMPRESSOR

4-stufiger Kompressor mit Zwischenkühlern und Nachkühler.4-stage compressor with intercoolers and aftercooler.

Leistung: 0,45 kg/s Luft bei 1545000 Pa Abgabedruck.Capacity: 0.45 kg/s air at 1545000 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 201 kW Bremsleistung.Engine power: 201 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

Erste Stufe: 14,2 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A- Fasern enthalten.First stage: 14.2 parallel modules containing 1.4 · 106 PBO-A fibers.

Zweite Stufe: 5,4 Parallelmodule, welche 1,4 · 10&sup6; PBO-A- Fasern enthalten.Second stage: 5.4 parallel modules containing 1.4 x 106 PBO-A fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,5748Fiber effective length (m): 1.5748

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Hartgelöteter Aluminium-Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Brazed aluminum plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passages in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 0,69 kg/s bei 1462000 Pa von 4,3ºC bis -60ºC.Power, current 1: 0.69 kg/s at 1462000 Pa from 4.3ºC to -60ºC.

Strom 2: 0,21 kg/s bei 122000 Pa von -153ºC bis - 5,7ºC.Stream 2: 0.21 kg/s at 122000 Pa from -153ºC to - 5.7ºC.

Strom 3: 0,25 kg/s bei 336300 Pa von -60ºC bis - 5,7ºC.Stream 3: 0.25 kg/s at 336300 Pa from -60ºC to - 5.7ºC.

Nutzleistung: 46,2 kW, maximal 10ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 46.2 kW, maximum 10ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 13800 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 13800 Pa at any flow.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Generatorbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 23,1 kW Leistung.Generator-loaded turbo expansion device for extracting 23.1 kW of power.

Leistung: 0,33 kg/s, 95 Prozent Stickstoff bei 1436000 Pa, -64ºC.Performance: 0.33 kg/s, 95 percent nitrogen at 1436000 Pa, -64ºC.

Druckverminderung auf 122000 Pa.Pressure reduction to 122000 Pa.

Minimaler Wirkungsgrad: 80 Prozent isentropischMinimum efficiency: 80 percent isentropic

KÜHLVORRICHTUNG/TROCKNERCOOLER/DRYER

Wärmetauscher, welcher durch einen Stickstoff-Abgasstrom gekühlt wird, und Wassertrennbehälter.Heat exchanger, which is cooled by a nitrogen exhaust stream, and water separation tank.

Leistung, Strom 1: 0,70 kg/s bei 1283000 Pa von 40ºC bis 4,4ºC.Power, current 1: 0.70 kg/s at 1283000 Pa from 40ºC to 4.4ºC.

Strom 2: 0,33 kg/s bei 114000 Pa von -60ºC bis 15ºC.Flow 2: 0.33 kg/s at 114000 Pa from -60ºC to 15ºC.

Nutzleistung: 30,9 kW.Net power: 30.9 kW.

Maximaler Gesamtdruckabfall: 13800 Pa.Maximum total pressure drop: 13800 Pa.

LUFTTROCKNERAIR DRYER

Doppelbehälter-Molekularsieb-Adsorptions-Lufttrockner mit Regenerierungsgebläse und Heizvorrichtung.Double vessel molecular sieve adsorption air dryer with regenerative blower and heater.

Leistung: 0,70 kg/s gesättigte Luft bei 1531000 Pa, 4,4ºC.Capacity: 0.70 kg/s saturated air at 1531000 Pa, 4.4ºC.

Taupunktanforderung: -70ºC bei Druck.Dew point requirement: -70ºC at pressure.

Maximaler Druckabfall: 69000 PaMaximum pressure drop: 69000 Pa

SAUERSTOFFKOMPRESSOROXYGEN COMPRESSOR

Zentrifugalkompressor mit Nachkühler.Centrifugal compressor with aftercooler.

Leistung: 0,10 kg/s 80-prozentiger Sauerstoff bei 276000 Pa Abgabedruck.Output: 0.10 kg/s 80% oxygen at 276000 Pa delivery pressure.

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

Motorleistung: 8,4 kW Bremsleistung.Engine power: 8.4 kW braking power.

Kühlerleistung: maximal 40ºC Auslaßtemperatur bei 20ºC Umgebungstemperatur.Cooling capacity: maximum 40ºC outlet temperature at 20ºC ambient temperature.

Tabelle 3C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 7ATable 3C: Equipment list explanation for Table 7A

COMPRESS Haupt-LuftkompressorCOMPRESS Main air compressor

AFT-COOL Kompressor-NachkühlerAFT-COOL compressor aftercooler

CHILLER gekühlte LuftkühlvorrichtungCHILLER cooled air cooling device

SEPARATE Molekularsieb-Adsorptions-LufttrocknerSEPARATE Molecular Sieve Adsorption Air Dryers

HTEX Haupt-WärmetauscherHTEX main heat exchanger

MEMB1 Erste Gruppe von MembranmodulenMEMB1 First group of membrane modules

MEMB2 Zweite Gruppe von MembranmodulenMEMB2 Second group of membrane modules

HLEAK Wärmeaustritts-SimulationHLEAK heat leak simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

N2SPLIT Wärmetauscher-UmgehungsteilerN2SPLIT heat exchanger bypass divider

O2COMPR Produktsauerstoffkompressor TABELLE 7D ZUSAMMENFASSUNG VON SAUERSTOFF-MEMBRANVERFAHREN O2COMPR Product Oxygen Compressor TABLE 7D SUMMARY OF OXYGEN MEMBRANE METHODS

BEISPIEL 8EXAMPLE 8 METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM NICHTPERMEATPRODUKTSTROMMETHANE PURIFICATION PROCESS USING AN EXPANSION DEVICE FOR THE NON-PERMATE PRODUCT STREAM

Beispiel 8 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines angereicherten Methan-Nichtpermeatproduktstroms aus Methan- Kohlendioxid-Mischungen. Es wird angenommen, daß der Einspeisungsgasstrom 95 Prozent Methan und 5 Prozent Kohlendioxid auf einer molaren Basis enthält, und daß dieser bei 1000 psia (6900 kPa) Druck und Umgebungstemperatur verfügbar ist. Ein Nichtpermeatproduktstrom, welcher ein Minimum von 98 Prozent Methan auf einer molaren Basis enthält, ist mit einer möglichst hohen Wiedergewinnung des Methans erwünscht. Der angereicherte Nichtpermeatproduktstrom tritt in eine Rohrleitung zur späteren Komprimierung auf höhere Drücke ein, daher ist es zu wünschen, daß der Gesamtdruckabfall bei dem Membranvorgang minimiert wird. Diese Trennung wird häufig in der Naturgasindustrie verwendet, wo verunreinigte Naturgasströme gereinigt werden müssen, um Rohrleitungs-Spezifikationen zu erfüllen. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für ein Verfahren zum Erreichen dieser Trennung ist in Fig. 8 dargestellt. Eine Zusammenfassung der Haupt-Verfahrensströme ist in Tabelle 8A angegeben, und die Haupt-Verfahrensausrüstung ist in Tabelle 8B zusammengefaßt. Definitionen verwendeter Abkürzungen sind in Tabelle 8C angegeben.Example 8 is a process for producing an enriched methane non-permeate product stream from methane-carbon dioxide mixtures. The feed gas stream is assumed to contain 95 percent methane and 5 percent carbon dioxide on a molar basis and is available at 1000 psia (6900 kPa) pressure and ambient temperature. A non-permeate product stream containing a minimum of 98 percent methane on a molar basis is desired with as high a recovery of the methane as possible. The enriched non-permeate product stream enters a pipeline for later compression to higher pressures, so it is desirable to minimize the overall pressure drop in the membrane process. This separation is often used in the natural gas industry where contaminated natural gas streams must be cleaned to meet pipeline specifications. A simplified flow diagram for a process for achieving this separation is shown in Figure 8. A summary of the major process streams is given in Table 8A, and the major process equipment is summarized in Table 8B. Definitions of abbreviations used are given in Table 8C.

Es wird angenommen, daß der Einspeisungsgasstrom 830 bei Hochdruck verfügbar ist, daher ist keine Kompressionsausrüstung dargestellt. Es wird ferner angenommen, daß der Einspeisungsgasstrom 830 gewaschen wurde, wobei im wesentlichen alle teilchenförmigen, kondensierbaren und korrodierenden Bestandteile entfernt wurden, bevor dieser in das Verfahren eintritt. Der gewaschene Hochdruck-Einspeisungsgasstrom 830 tritt dann in den Haupt-Wärmetauscher 827 ein, wo dieser mit Erwärmungs- Produktströmen 840 und 852 gekühlt wird. Der gekühlte Einspeisungsgasstrom 831 tritt dann in die Hochdruckdurchgänge der Membranvorrichtung 833 ein, und das Kohlendioxid in der Einspeisungsgasmischung durchdringt vorzugsweise die Membran 834 zu den Niederdruckdurchgängen der Membranvorrichtung 833. Dies läßt den Hochdruck-Nichtpermeatproduktstrom 850 methanangereichert aus der Membranvorrichtung 833 austreten, während der Niederdruck-Permeatproduktstrom 840, welcher aus der Membranvorrichtung austritt, kohlendioxidangereichert ist. Der Hochdruck-Nichtpermeatproduktstrom 851 tritt in die Expansionsvorrichtung 829 ein, welcher etwas Energie aus dem Strom entnimmt, wobei dies Druck und Temperatur davon absenkt, wenn dieser über eine Leitung 852 aus der Expansionsvorrichtung 829 austritt. Diese Entnahme von Energie gleicht die Wärme aus, welche in die kalte Ausrüstung durch Wärmeübertragung mit der Umgebung und anderen Quellen eintritt, wobei dies die Ausrüstung und Verfahrensströme bei der gewünschten niedrigen Temperatur hält. Die Produktströme 840 und 852 treten dann in den Haupt-Wärmetauscher 827 ein, wo diese mit dem Kühlungs- Einspeisungsstrom 830 erwärmt werden. Der methanangereicherte Hochdruck-Nichtpermeatproduktstrom 853 tritt dann in die Produktrohrleitung ein. Der kohlendioxidangereicherte Niederdruck-Permeatproduktstrom 841 wird typischerweise zu einem Brenner geleitet, wo der Heizwert des verbleibenden Methans in dem Permeatstrom wiederhergestellt wird.It is assumed that the feed gas stream 830 is available at high pressure, therefore no compression equipment is shown. It is further assumed that the feed gas stream 830 has been scrubbed to remove substantially all particulate, condensable and corrosive components before entering the process. The scrubbed high pressure feed gas stream 830 then enters into the main heat exchanger 827 where it is cooled with heating product streams 840 and 852. The cooled feed gas stream 831 then enters the high pressure passages of the membrane device 833 and the carbon dioxide in the feed gas mixture preferentially permeates the membrane 834 to the low pressure passages of the membrane device 833. This causes the high pressure non-permeate product stream 850 to exit the membrane device 833 methane-enriched while the low pressure permeate product stream 840 exiting the membrane device is carbon dioxide-enriched. The high pressure non-permeate product stream 851 enters the expansion device 829 which removes some energy from the stream, lowering the pressure and temperature thereof as it exits the expansion device 829 via a line 852. This removal of energy offsets the heat entering the cold equipment through heat transfer with the environment and other sources, maintaining the equipment and process streams at the desired low temperature. The product streams 840 and 852 then enter the main heat exchanger 827 where they are heated with the cooling feed stream 830. The methane-enriched high pressure non-permeate product stream 853 then enters the product pipeline. The carbon dioxide-enriched low pressure permeate product stream 841 is typically passed to a burner where the heating value of the remaining methane in the permeate stream is restored.

Dieses Beispiel demonstriert einige der Merkmale eines Niedertemperatur-Membranverfahrens. Lediglich eine einzige Membranvorrichtung ist erforderlich, um die erwünschte Trennung bei gegebenen Drücken zu erreichen. Aufgrund der Tatsache, daß der Einspeisungsgasstrom bei viel höherem als Umgebungsdruck verfügbar ist, ist lediglich der Einlaßdruck des Einspeisungsgasstroms erforderlich, um die Druckdifferenz bei der Membran aufrechtzuerhalten. Die kalte Verfahrensausrüstung und die Verrohrung werden gut isoliert, um einen Wärmeabfluß in das System zu minimieren. Eine Expansionsvorrichtung wird verwendet, um für Kühlung zu sorgen und die kalte Verfahrensausrüstung bei der erwünschten Temperatur zu halten. Ein Wärmetauscher wird verwendet, um den Einspeisungsstrom zu kühlen und die Produktströme zu erwärmen. Durch Austauschen von Wärme zwischen diesen Strömen kann die erforderliche Kühlung von der Expansionsvorrichtung minimiert werden, wobei dies den Druckabfall minimiert, welcher bei der Expansionsvorrichtung hinzunehmen ist. Bei diesem Verfahren ist keine Produktwiederkomprimierung notwendig, da das methanangereicherte Nichtpermeatprodukt in eine Rohrleitung zu einem vorhandenen Kompressor eintritt. TABELLE 8A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR METHANREINIGUNGSVERFAHREN EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM NICHTPER­MEATSTROM TABELLE 8A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR METHANREINIGUNGSVERFAHREN EINER EX­PANSIONSVORRICHTUNG BEI DEM NICHTPERMEATSTROM This example demonstrates some of the features of a low temperature membrane process. Only a single membrane device is required to achieve the desired separation at given pressures. Due to the fact that the feed gas stream is available at much higher than ambient pressure, only the inlet pressure of the feed gas stream is required to provide the pressure difference at of the membrane. The cold process equipment and piping are well insulated to minimize heat leakage into the system. An expansion device is used to provide cooling and maintain the cold process equipment at the desired temperature. A heat exchanger is used to cool the feed stream and heat the product streams. By exchanging heat between these streams, the required cooling from the expansion device can be minimized, thereby minimizing the pressure drop suffered by the expansion device. No product recompression is necessary in this process since the methane-enriched non-permeate product enters a pipeline to an existing compressor. TABLE 8A STREAM SUMMARY FOR METHANE PURIFICATION PROCESS OF AN EXPANSION DEVICE ON THE NON-PERMATE STREAM TABLE 8A STREAM SUMMARY FOR METHANE PURIFICATION PROCESS OF AN EXPANSION DEVICE ON THE NON-PERMATE STREAM

TABELLE 8BTABLE 8B NIEDERTEMPERATUR-METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EINER EXPANSIONSVORRICHTUNG: HAUPT-AUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE METHANE PURIFICATION PROCESS USING AN EXPANSION DEVICE: MAIN EQUIPMENT SUMMARY MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

1 Modul, welches 1,4 · 10&sup6; TCHF-BA-PC-Fasern enthalten.1 module containing 1.4 · 10⁶ TCHF-BA-PC fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 0,246Fibre effective length (m): 0.246

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPT-WÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenbereichserweiterungs-Rippen. Drei Gruppen von Durchgängen in Gegenstromanordnung.Plate and fin heat exchanger with surface area expansion fins. Three groups of passes in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 2,2 kg/s bei 6895000 Pa von 20ºC bis - 22ºC.Power, current 1: 2.2 kg/s at 6895000 Pa from 20ºC to -22ºC.

Strom 2: 2,0 kg/s bei 6633000 Pa von -27ºC bis 16ºC.Stream 2: 2.0 kg/s at 6633000 Pa from -27ºC to 16ºC.

Strom 3: 0,2 kg/s bei 158600 Pa von -22ºC bis 16ºC.Flow 3: 0.2 kg/s at 158600 Pa from -22ºC to 16ºC.

Nutzleistung: 260 kW, maximal 4,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 260 kW, maximum 4.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckabfall: 20700 Pa bei jedem Strom.Maximum pressure drop: 20700 Pa at any flow.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Bremsbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 4,37 kW Leistung.Brake-loaded turbo expansion device for extracting 4.37 kW of power.

Leistung: 2,0 kg/s, 98 Prozent Methan bei 6818000 Pa, - 25ºC.Output: 2.0 kg/s, 98 percent methane at 6818000 Pa, - 25ºC.

Druckverminderung auf 6633000 Pa.Pressure reduction to 6633000 Pa.

Minimaler Wirkungsgrad: 80 Prozent isentropischMinimum efficiency: 80 percent isentropic

Tabelle 8C: Ausrüstungslistenerläuterung zu Tabelle 8ATable 8C: Equipment list explanation for Table 8A

HTEX HauptwärmetauscherHTEX main heat exchanger

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK WärmeaustrittsimulationHLEAK heat leak simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

BEISPIEL 9EXAMPLE 9 METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EINEM EXTERNEN KÜHLSYSTEMMETHANE PURIFICATION PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM

Beispiel 9 ist auch ein Verfahren zur Erzeugung eines angereicherten Methan-Nicht-Permeatproduktstrom aus Methan/Kohlendioxid Mischungen. Der Einspeisungsgasstrom und die verlangte Produktspezifikation für dieses Beispiel sind die gleichen wie in Beispiel 8. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für ein Verfahren zur Ausführung dieser Trennung zeigt Abb. 9. Eine Zusammenfassung der bedeutenden Prozeßströme wird in Tabelle 9A gegeben, und die Haupt-Verfahrensausrüstung wird in Tabelle 9B zusammengefaßt. Die Definitionen der verwendeten Abkürzungen werden in Tabelle 9C gegeben.Example 9 is also a process for producing an enriched methane non-permeate product stream from methane/carbon dioxide mixtures. The feed gas stream and required product specification for this example are the same as in Example 8. A simplified flow diagram for a process for carrying out this separation is shown in Figure 9. A summary of the major process streams is given in Table 9A and the major process equipment is summarized in Table 9B. The definitions of the abbreviations used are given in Table 9C.

Dieses Verfahren entspricht dem in Beispiel 8, außer, daß ein externes Kühlsystem 965 anstelle der Expansionsvorrichtung verwendet wird, um die Verfahrensausrüstung und die Prozeßströme auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Der Einspeisungsgasstrom 930 in diesem Beispiel wird ebenfalls als gewaschen und unter hohem Druck verfügbar vorausgesetzt. Der Einspeisungsgasstrom 930 tritt in einen Hauptwärmetauscher 927 ein, wo er an den sich erwärmenden Produktströmen 940 und 951 gekühlt wird. Der Einspeisungsgasstrom 931 tritt dann in einen Verdampfungswärmetauscher 964, wo er weiter an einem siedenden Kühlmittel in Leitung 962 gekühlt wird. Das flüssige Kühlmittel wird durch ein einfaches einstufiges Kühlsystem 965 bereitgestellt, welches auf die gleiche Weise funktioniert wie das externe in Beispiel 3 beschriebene Kühlsystem. Da das Verfahren bei einer höheren Temperatur als in Beispiel 3 arbeitet wird jedoch ein anderes Kühlmittel verwendet, und das Kühlmittel in Leitung 960 verläßt den Kühlerkompressor mit einer erheblich höheren Temperatur als in Beispiel 3. Der kalte Einspeisungsgasstrom 932, der den Verdampfer 964 verläßt, tritt dann in die Hochdruckdurchlässe der Membranvorrichtung 933, und das Kohlendioxid aus der Einspeisung permeiert vorzugsweise durch die Membran 934 zu den Niederdruckdurchlässen der Membranvorrichtung 933. Dies läßt den Nicht-Permeatstrom bei Hochdruck 950, der die Membranvorrichtung 933 verläßt, angereichert mit Methan zurück, während der Permeatstrom bei Niederdruck 940, der die Membranvorrichtung 933 verläßt, mit Kohlendioxid angereichert ist. Die Produktströme 940 und 951 treten dann in den Hauptwärmetauscher 927 ein, wo sie an dem sich abkühlenden Einspeisungsgasstrom 930 gekühlt werden. Der mit Methan angereicherte Permeatproduktstrom bei Hochdruck 952 tritt dann in die Produktpipeline ein. Der mit Kohlendioxid angereicherte Permeatproduktstrom bei Niederdruck 941 wird typischerweise zu einem Brenner geleitet, wo der Heizwert des Restmethans im Permeatstrom zurückgewonnen wird.This procedure is similar to that in Example 8 except that an external cooling system 965 is used in place of the expansion device to maintain the process equipment and process streams at the desired operating temperature. The feed gas stream 930 in this example is also assumed to be scrubbed and available at high pressure. The feed gas stream 930 enters a main heat exchanger 927 where it is cooled by the warming product streams 940 and 951. The feed gas stream 931 then enters an evaporative heat exchanger 964 where it is further cooled by a boiling coolant in line 962. The liquid coolant is provided by a simple single stage cooling system 965 which functions in the same manner as the external cooling system described in Example 3. However, since the process operates at a higher temperature than in Example 3, a different refrigerant is used and the refrigerant in line 960 exits the chiller compressor at a significantly higher temperature than in Example 3. The cold feed gas stream 932 exiting the evaporator 964 then enters the high pressure passages of the membrane device 933, and the carbon dioxide from the feed preferentially permeates through the membrane 934 to the low pressure passages of the membrane device 933. This leaves the non-permeate stream at high pressure 950 exiting the membrane device 933 enriched in methane, while the permeate stream at low pressure 940 exiting the membrane device 933 is enriched in carbon dioxide. The product streams 940 and 951 then enter the main heat exchanger 927 where they are cooled by the cooling feed gas stream 930. The methane-enriched permeate product stream at high pressure 952 then enters the product pipeline. The carbon dioxide-enriched permeate product stream at low pressure 941 is typically passed to a burner where the heating value of the residual methane in the permeate stream is recovered.

Dieses Verfahren zeigt größtenteils die gleichen Charakteristiken wie Beispiel 8. Es zeigt ebenfalls, wie die Expansionsvorrichtung durch ein externes Kühlsystem ersetzt werden kann, um die Verfahrensausrüstung auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten. TABELLE 9A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EINEM EXTERNEN KÜHLSYSTEM TABELLE 9A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EINEM EXTERNEN KÜHLSYSTEM TABELLE 9A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EI­NEM EXTERNEN KÜHLSYSTEM This process shows largely the same characteristics as Example 8. It also shows how the expansion device can be replaced by an external cooling system to maintain the process equipment at the desired operating temperature. TABLE 9A POWER SUMMARY FOR A METHANE PURIFICATION PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM TABLE 9A POWER SUMMARY FOR A METHANE PURIFICATION PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM TABLE 9A POWER SUMMARY FOR A METHANE PURIFICATION PROCESS WITH AN EXTERNAL COOLING SYSTEM

TABELLE 9BTABLE 9B NIEDRIGTEMPERATUR-METHANREINIGUNGSVERFAHREN MIT EXTERNER KÜHLUNG: HAUPT-AUSRÜSTUNGSZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE METHANE PURIFICATION PROCESS WITH EXTERNAL COOLING: MAIN EQUIPMENT SUMMARY MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

1 Modul, welches 1,4 · 10&sup6; TCHF-BA-PC-Fasern enthält.1 module containing 1.4 · 10⁶ TCHF-BA-PC fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&sup5;Fiber ID (m): 9.5 · 10&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 0,247Fiber effective length (m): 0.247

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPTWÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenerweiterungsrippen. Drei Durchlaßeinheiten in Gegenstromanordnung.Plate and fin heat exchanger with surface expansion fins. Three pass units in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 2,2 kg/s bei 6895000 Pa von 20ºC bis -20,7ºC.Power, current 1: 2.2 kg/s at 6895000 Pa from 20ºC to -20.7ºC.

Strom 2: 2,0 kg/s bei 6804000 Pa von -25ºC bis 16ºC.Stream 2: 2.0 kg/s at 6804000 Pa from -25ºC to 16ºC.

Strom 3: 0,2 kg/s bei 137900 Pa von -22ºC bis 16ºC.Flow 3: 0.2 kg/s at 137900 Pa from -22ºC to 16ºC.

Nutzleistung: 251 kW, maximal 4,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Net power: 251 kW, maximum 4.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckverlust: 20700 Pa je Strom.Maximum pressure loss: 20700 Pa per stream.

EXTERNER KÜHLERKOMPRESSOREXTERNAL COOLER COMPRESSOR

Freon-22 Hubkolbenkompressor mit der Leistung 0,051 kg/s von 150310 Pa auf 1103000 Pa Ausströmdruck zu verdichten.Freon-22 reciprocating compressor with the capacity 0.051 kg/s to compress from 150310 Pa to 1103000 Pa discharge pressure.

Motorleistung: 4,0 kW Bremsleistung.Engine power: 4.0 kW braking power.

EXTERNER KÜHLKONDENSATOREXTERNAL COOLING CONDENSER

Wärmetauscher mit der Leistung, an Umgebungsluft bei 20ºC 0,051 kg/s Freon-22-Dampf bei 1103000 Pa und 102ºC auf 27ºC flüssig zu kühlen.Heat exchanger with the capacity to cool 0.051 kg/s of Freon-22 vapor at 1103000 Pa and 102ºC to 27ºC in ambient air at 20ºC.

Erwartete Leistung: 12,2 kW.Expected power: 12.2 kW.

EXTERNER KÜHLER-VERDAMPFEREXTERNAL COOLER EVAPORATOR

Verdampfungswärmetauscher mit der Leistung, 2,2 kg/s Methan bei 6874000 Pa von -20,7ºC auf -22ºC an siedendem Freon-22 bei -30ºC zu kühlen.Evaporative heat exchanger with the capacity to cool 2.2 kg/s methane at 6874000 Pa from -20.7ºC to -22ºC using boiling Freon-22 at -30ºC.

Erwartete Leistung: 8,3 kW.Expected power: 8.3 kW.

9C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 9A9C: Equipment list explanation for Table 9A

HTEX HauptwärmetauscherHTEX main heat exchanger

EVAP Verdampfer der externen KältemaschineEVAP evaporator of the external chiller

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeverlust-SimulationHLEAK heat loss simulation

RCOMPR Kompressor der externen KältemaschineRCOMPR Compressor of the external chiller

RCNDNS Kondensator der externen KältemaschineRCNDNS External chiller condenser

RJT Expansionsventil der externen KältemaschineRJT Expansion valve of the external chiller

BEISPIEL 10EXAMPLE 10 KOHLENDIOXID-RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN OHNE EXPANSIONSVORRICHTUNG ODER EXTERNE KÜHLUNGCARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS WITHOUT EXPANSION DEVICE OR EXTERNAL COOLING

Beispiel 10 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines mit Kohlendioxid angereicherten Permeatproduktstrom aus Methan/Kohlendioxid-Mischungen. Ähnliche Trennungen werden oft in der Ölindustrie angetroffen, wo Kohlendioxid von den Gasprodukten im verbesserten Restölgewinnungsbetrieb zur Rückeinblasung wiedergewonnen wird. Der Einspeisungsgasstrom wird angenommen, aus 20 Prozent Methan und 60 Prozent Kohlendioxid auf Molbasis zu bestehen und mit 500 psia (3,450 kPa) Druck und Umgebungstemperatur verfügbar zu sein. Es wird ein Permeatproduktstrom benötigt, der eine Minimalkonzentration von 92 Prozent Kohlendioxid auf Molbasis besitzt, mit einer möglichst hohen Rückgewinnung des Kohlendioxids im Einspeisungsgas.Example 10 is a process for producing a carbon dioxide-enriched permeate product stream from methane/carbon dioxide mixtures. Similar separations are often encountered in the oil industry where carbon dioxide is recovered from the gas products in the enhanced residual oil recovery operation for re-injection. The feed gas stream is assumed to consist of 20 percent methane and 60 percent carbon dioxide on a molar basis and to be available at 500 psia (3,450 kPa) pressure and ambient temperature. A permeate product stream is required that has a minimum concentration of 92 percent carbon dioxide on a molar basis with as high a recovery of carbon dioxide as possible in the feed gas.

Der mit Kohlendioxid angereicherte Permeatproduktstrom wird in eine Pipeline zur späteren Kompression auf höhere Drücke eintreten, so daß es wünschenswert ist, jede verfügbare Energie aus dem Verfahren zur Kompression des Permeatproduktstroms auf einen Zwischendruck zu nutzen. Ein vereinfachtes Flußdiagramm für ein Verfahren zur Ausführung dieser Trennung zeigt Abb. 10. Eine Zusammenfassung der bedeutenden Prozeßströme wird in Tabelle 10A gegeben, und die bedeutende Verfahrensausrüstung wird in Tabelle 108 zusammengefaßt. Die Definitionen der verwendeten Abkürzungen werden in Tabelle 10C gegeben.The carbon dioxide-enriched permeate product stream will enter a pipeline for later compression to higher pressures, so it is desirable to utilize any available energy from the process to compress the permeate product stream to an intermediate pressure. A simplified flow diagram for a process for carrying out this separation is shown in Figure 10. A summary of the major process streams is given in Table 10A, and the major process equipment is summarized in Table 10B. Definitions of the abbreviations used are given in Table 10C.

Der Einspeisungsgasstrom 1030 wird angenommen, unter hohem Druck verfügbar zu sein, weshalb keine Kompressionseinrichtung abgebildet ist. Der Einspeisungsgasstrom wird ebenfalls als gewaschen vorausgesetzt, wobei alle Partikelkomponenten, kondensierbare Komponenten und korrosive Komponenten vor Eintritt in den Prozeß entfernt sind. Produktgase aus dem verbesserten Restölgewinnungsbetrieb enthalten häufig Kohlenwasserstoffe höherer Ordnung als Methan, welche möglicherweise bei niedri gen Temperaturen kondensierbar sind. Vor dem Eintritt in den hier beschriebenen Prozeß wird vorausgesetzt, daß diese entfernt wurden. Der gewaschene Einspeisungsgasstrom bei hohem Druck 1030 tritt in einen Hauptwärmetauscher 1027 ein, wo er an dem sich erwärmenden Nicht-Permeatproduktstrom bei Hochdruck 1051 auf -5ºC gekühlt wird. Der gekühlte Einspeisungsgasstrom 1031 tritt in die Hochdruckdurchlässe der Membranvorrichtung 1033 ein, und das Kohlendioxid aus der Einspeisung permeiert vorzugsweise durch die Membran 1034 zu den Niederdruckdurchlässen der Membranvorrichtung 1033. Dies läßt den Nicht-Permeatstrom bei Hochdruck 1050, der die Membranvorrichtung 1033 verläßt, angereichert mit Methan zurück, während der Permeatstrom bei Niederdruck 1040, der die Membranvorrichtung 1033 verläßt, mit Kohlendioxid angereichert ist. Der mit Methan angereicherte Permeatproduktstrom bei Hochdruck 1051 aus der Membranvorrichtung 1033 tritt dann in den Hauptwärmetauscher 1027 ein, wo er an dem sich abkühlenden Einspeisungsgasstrom 1030 erwärmt wird. Der warme, mit Kohlendioxid angereicherte Nicht-Permeatproduktstrom bei Hochdruck 1052 tritt in die Expansionsvorrichtung 1029 ein, welche dem Strom etwas Leistung entnimmt, wobei der Druck auf nahezu Umgebungsdruck gesenkt wird. Dieser mit Methan angereicherte Nicht- Permeatproduktstrom 1053 wird typischerweise zu einem Brenner geleitet, wo der Heizwert des Restmethans zurückgewonnen wird. Der kalte, mit Kohlendioxid angereicherte Permeatproduktstrom 1040 aus der Membranvorrichtung 1033 wird direkt zu einem Kompressor 1074 geleitet, welcher die von der Expansionsvorrichtung 1029 entnommene Leitung dazu verwendet, den Strom auf einen Zwischendruck zu verdichten. Der mit Kohlendioxid angereicherte Permeatproduktstrom 1041, welcher den Kompressor 1074 verläßt, tritt dann in eine Pipeline ein, an die er zur Wiederverwendung im verbesserten Rückgewinnungsbetrieb geliefert wird.The feed gas stream 1030 is assumed to be available at high pressure, and therefore no compression equipment is shown. The feed gas stream is also assumed to be scrubbed, with all particulate components, condensable components and corrosive components removed prior to entering the process. Product gases from the enhanced residual oil recovery operation often contain higher order hydrocarbons than methane, which may be present at low temperatures. These are assumed to have been removed prior to entry into the process described herein. The scrubbed high pressure feed gas stream 1030 enters a main heat exchanger 1027 where it is cooled to -5°C by the warming high pressure non-permeate product stream 1051. The cooled feed gas stream 1031 enters the high pressure passages of the membrane device 1033 and the carbon dioxide from the feed preferentially permeates through the membrane 1034 to the low pressure passages of the membrane device 1033. This leaves the high pressure non-permeate stream 1050 exiting the membrane device 1033 enriched in methane while the low pressure permeate stream 1040 exiting the membrane device 1033 enriched in carbon dioxide. The methane-enriched permeate product stream at high pressure 1051 from the membrane device 1033 then enters the main heat exchanger 1027 where it is heated by the cooling feed gas stream 1030. The warm, carbon dioxide-enriched non-permeate product stream at high pressure 1052 enters the expansion device 1029 which removes some power from the stream, reducing the pressure to near ambient pressure. This methane-enriched non-permeate product stream 1053 is typically sent to a burner where the heating value of the residual methane is recovered. The cold, carbon dioxide-enriched permeate product stream 1040 from the membrane device 1033 is sent directly to a compressor 1074 which uses the line removed from the expansion device 1029 to compress the stream to an intermediate pressure. The carbon dioxide enriched permeate product stream 1041 exiting the compressor 1074 then enters a pipeline to which it is delivered for reuse in the enhanced recovery operation.

Dieses Verfahren zeigt größtenteils die gleichen Charakteristiken wie Beispiele 8 und 9. Hier ist jedoch eher der mit Kohlendioxid angereicherte Permeatstrom bei Niederdruck, als der mit Methan angereicherte Nicht-Permeatstrom bei Hochdruck, das gewünschte Produkt.This process shows largely the same characteristics as Examples 8 and 9. However, here the desired product is the carbon dioxide-enriched permeate stream at low pressure rather than the methane-enriched non-permeate stream at high pressure.

Es zeigt ebenfalls, wie die Expansionsvorrichtung durch ein externes Kühlsystem ersetzt werden kann, um die Verfahrensausrüstung auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Außerdem ist keine Verfahrensausrüstung nötig, um eine Kühlung zum Ausgleich der Wärmeverluste in den Prozeß bereitzustellen. Die Expansionsvorrichtung wird lediglich dazu benutzt, Leistung aus dem Produktstrom bei Hochdruck zur Wiederverdichtung des Produktstroms bei Niederdruck zu entnehmen. Es ist hier wegen dem Ausmaß an Selbstkühlungsvermögen von Kohlendioxid keine Verfahrensausrüstung zur Kühlung notwendig. Der Joule-Thomson Effekt bei Kohlendioxid hat eine bedeutende Temperaturabsenkung einhergehend mit dem Druckverlust beim Permeieren des Kohlendioxids durch die Membran zur Folge. Das Ausmaß des Joule-Thomson Effekts reicht aus, um die Verfahrensausrüstung auf der gewünschten Betriebstemperatur zu halten.It also shows how the expansion device can be replaced by an external cooling system to maintain the process equipment at the desired operating temperature. In addition, no process equipment is required to provide cooling to compensate for heat losses in the process. The expansion device is used only to take power from the product stream at high pressure to recompress the product stream at low pressure. No process equipment for cooling is required here because of the extent of the self-cooling ability of carbon dioxide. The Joule-Thomson effect on carbon dioxide results in a significant temperature reduction associated with the pressure loss as the carbon dioxide permeates through the membrane. The extent of the Joule-Thomson effect is sufficient to maintain the process equipment at the desired operating temperature.

Tabelle 10D beinhaltet eine Zusammenfassung von Beispielen 8-10. Beispiele 8-9 veranschaulichen den äußerst geringen Methanverlust im mit Kohlendioxid angereicherten Permeatstrom. Der BTU-Wert des Permeatstroms ist ausreichend hoch, um das Brennen des Permeatstroms zur Rückgewinnung des Heizwertes sicherzustellen. Die Methanmenge im Permeatstrom ist selbst bei Verlust durch Abfackeln immer noch geringer als die zur Regeneration des Absorptionsmittels benötigte Methanmenge beim Einsatz herkömmlicher Absorptionstechnologie zum Entfernen des Kohlendioxids, weil konventionelle Absorptionstechnologie so viel wie einen Kubikfuß (CF) Methan pro 1 CF entferntem Kohlendioxid verwendet. Das Methan wird zur Regeneration des Absorptionsmittels verwendet. Beispiel 10 veranschaulicht ein typisches Kohlendioxid-Rückgewinnungsverfahren zur Rückeinblasung in einem verbesserten Restölgewinnungsbetrieb. Beispiel 10 zeigt, daß fast 97 Prozent des Kohlendioxids zur Rückeinblasung zurückgewonnen wird. Beispiel 10 veranschaulicht den Vorteil des Niedertemperaturverfahrens gegenüber Kohlendioxid- Rückgewinnungsverfahren mit Umgebungstemperatur, welche nur 50 Prozent des Kohlendioxids im Einspeisungsgas für die Rückeinblasung zurückgewinnen können. TABELLE 10A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN KOHLENDIOXID-RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN OHNE EXPANSIONSVORRICHTUNG TABELLE 10A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN KOHLENDIOXID-RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN OHNE EXPANSIONSVORRICHTUNG ODER EXTER­NES KÜHLSYSTEM Table 10D provides a summary of Examples 8-10. Examples 8-9 illustrate the extremely low methane loss in the carbon dioxide-enriched permeate stream. The BTU value of the permeate stream is sufficiently high to ensure burning of the permeate stream to recover the heating value. The amount of methane in the permeate stream, even if lost through flaring, is still less than the amount of methane required to regenerate the absorbent using conventional absorption technology to remove the carbon dioxide because conventional absorption technology uses as much as one cubic foot (CF) of methane per 1 CF of carbon dioxide removed. The methane is used to regenerate the absorbent. Example 10 illustrates a typical carbon dioxide recovery process for re-injection in an enhanced residual oil recovery operation. Example 10 shows that almost 97 percent of the carbon dioxide is recovered for re-injection. Example 10 illustrates the advantage of the low temperature process over ambient temperature carbon dioxide recovery processes which can only recover 50 percent of the carbon dioxide in the feed gas for re-injection. TABLE 10A POWER SUMMARY FOR A CARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS WITHOUT AN EXPANSION DEVICE TABLE 10A POWER SUMMARY FOR A CARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS WITHOUT EXPANSION DEVICE OR EXTERNAL COOLING SYSTEM

TABELLE 10BTABLE 10B NIEDRIGTEMPERATUR-MEMBRAN-KOHLENDIOXID- RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN: HAUPTAUSRÜSTUNGS-ZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE MEMBRANE CARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS: MAIN EQUIPMENT SUMMARY MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

1 Modul, welches 1,4 · 10&sup6; TCHF-BA-PC Fasern enthält.1 module containing 1.4 · 10⁶ TCHF-BA-PC fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,27Fibre effective length (m): 1.27

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPTWÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenerweiterungsrippen. Zwei Durchlaßeinheiten in Gegenstromanordnung.Plate and fin heat exchanger with surface expansion fins. Two pass units in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 4,14 kg/s bei 3448000 Pa von 20ºC bis -5ºC.Power, current 1: 4.14 kg/s at 3448000 Pa from 20ºC to -5ºC.

Strom 2: 0,86 kg/s bei 3239000 Pa von -67ºC bis 1,6ºC.Stream 2: 0.86 kg/s at 3239000 Pa from -67ºC to 1.6ºC.

Nutzleistung: 145 kW, maximal 4,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 145 kW, maximum 4.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckverlust: 20700 Pa je Strom.Maximum pressure loss: 20700 Pa per stream.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Bremsbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 192 kW Leistung.Brake-loaded turbo expansion device for extracting 192 kW of power.

CO2-KOMPRESSORCO2 COMPRESSOR

Von der Expansionsvorrichtung angetriebener einstufiger Kreiselkompressor.Single-stage centrifugal compressor driven by the expander.

Leistung: 3,28 kg/s 95 Prozent 002 bei 726200 Pa Abgabedruck.Performance: 3.28 kg/s 95 percent 002 at 726200 Pa discharge pressure.

Eingangszustände: 330960 Pa, -5ºCInput conditions: 330960 Pa, -5ºC

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

BEISPIEL 11EXAMPLE 11 NIEDERTEMPERATUR-MEMBRAN-VERFAHRENSENTWICKLUNG:LOW TEMPERATURE MEMBRANE PROCESS DEVELOPMENT: VERGLEICHENDES BEISPIELCOMPARATIVE EXAMPLE

Dieses Beispiel dient dem Vergleich von Ergiebigkeit und Energiekosten bei der Stickstofferzeugung zwischen dem Einsatz eines handelsüblichen Membranwerkstoffs außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und dem Einsatz des Niedertemperaturmembran-Werkstoffs PBO A der vorliegenden Erfindung. Es wurden vier Verfahrenssimulationen unter Verwendung kommerziell verfügbarer Software zur Verfahrenstechniksimulation durchgeführt. Die ersten beiden Verfahren verwenden bei 20ºC betriebene Hohlfaser. Das dritte Verfahren verwendet bei -60ºC betriebene PBO-A Hohlfaser unter Einsatz einer Expansionsvorrichtung im Nicht-Permeatstrom, wie in Beispiel 1 beschrieben. Das vierte Verfahren verwendet bei -60ºC betriebene PBO-A Hohlfaser unter Verwendung eines externen Kühlsystems, um den Produktgasstrom auf die Betriebstemperatur zu kühlen, wie in Beispiel 3 ohne die Hauptwärmetauscher beschrieben. Das letzte Verfahren wird zur Veranschaulichung der Energieeinsparung miteinbezogen, die mit der Benutzung des Hauptwärmetauschers einhergeht.This example is designed to compare the yield and energy costs of nitrogen production between using a commercially available membrane material outside the scope of the present invention and using the low temperature membrane material PBO A of the present invention. Four process simulations were performed using commercially available process engineering simulation software. The first two processes use hollow fiber operated at 20°C. The third process uses PBO-A hollow fiber operated at -60°C using an expander in the non-permeate stream as described in Example 1. The fourth process uses PBO-A hollow fiber operated at -60°C using an external cooling system to cool the product gas stream to operating temperature as described in Example 3 without the main heat exchangers. The last procedure is included to illustrate the energy savings associated with the use of the main heat exchanger.

Die Berechnungen wurden mit einer Membranvorrichtung durchgeführt, welche 1400000 Fasern mit einer Wirklänge von 1,5748 Metern (m) und einer Rohrbodendicke von 0,2032 m aufweist. Die Fasern werden angenommen, einen Außendurchmesser von 1,35 · 10&supmin;&sup9; m, einen Innendurchmesser von 9,5 · 10&supmin;&sup5; m und einen inneren Trennbereich mit einer Dicke von 740 Angstrom zu besitzen. Die Leistungscharakteristiken der zum Vergleich eingesetzten handelsüblichen Membran waren ein Sauerstoff/Stickstoff-Trennfaktor von 7,4 und eine Sauerstoff- Permeabilität von 0,85. Das gewünschte Gasprodukt wurde spezifiziert, bei einem Druck von 125 psig (965 kPa) vorzuliegen und nicht mehr als 1,0 Prozent Sauerstoff zu enthalten. Tabelle 11 führt die Prozeßrückgewinnung, die Ergiebigkeit jedes Membranmoduls und die Energiekosten zur Herstellung einer bestimmten Produktmenge auf. Diese Tabelle veranschaulicht, daß ein Modul, das PBO-A-Membranen enthält, signifikant ergiebiger ist als ein Modul, das die handelsüblichen Membranen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfingung enthält, und daß das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren Stickstoff bei bedeutend niedrigeren Energiekosten erzeugt. TABELLE 10A STROMZUSAMMENFASSUNG FÜR EIN KOHLENDIOXID­RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN OHNE EXPANSIONSVORRICHTUNG ODER EXTER­NES KÜHLSYSTEM The calculations were performed on a membrane device containing 1,400,000 fibers with an effective length of 1.5748 meters (m) and a tubesheet thickness of 0.2032 m. The fibers are assumed to have an outside diameter of 1.35 x 10-9 m, an inside diameter of 9.5 x 10-5 m, and an internal separation area of 740 Angstroms thickness. The performance characteristics of the commercial membrane used for comparison were an oxygen/nitrogen separation factor of 7.4 and an oxygen permeability of 0.85. The desired gas product was specified to be present at a pressure of 125 psig (965 kPa). and not more than 1.0 percent oxygen. Table 11 lists the process recovery, yield of each membrane module, and energy costs to produce a given amount of product. This table illustrates that a module containing PBO-A membranes is significantly more efficient than a module containing the commercially available membranes outside the scope of the present invention and that the process described in Example 1 produces nitrogen at significantly lower energy costs. TABLE 10A POWER SUMMARY FOR A CARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS WITHOUT EXPANSION DEVICE OR EXTERNAL COOLING SYSTEM

TABELLE 10BTABLE 10B NIEDRIGTEMPERATUR-MEMBRAN-KOHLENDIOXID- RÜCKGEWINNUNGSVERFAHREN: HAUPTAUSRÜSTUNGS-ZUSAMMENFASSUNGLOW TEMPERATURE MEMBRANE CARBON DIOXIDE RECOVERY PROCESS: MAIN EQUIPMENT SUMMARY MEMBRANMODULEMEMBRANE MODULES

1 Modul, welches 1,4 · 10&sup6; TCHF-BA-PC Fasern enthält.1 module containing 1.4 · 10⁶ TCHF-BA-PC fibers.

Faser-ID (m): 9,5 · 10&supmin;&sup5;Fiber ID (m): 9.5 x 10&supmin;&sup5;

Faser-OD (m): 1,35 · 10&supmin;&sup4;Fiber OD (m): 1.35 x 10&supmin;&sup4;

Faser-Dichtebereichsdicke (m): 7,4 · 10&supmin;&sup8;Fiber density range thickness (m): 7.4 · 10⊃min;⊃8;

Faser-Wirklänge (m): 1,27Fibre effective length (m): 1.27

Rohrbodenlänge (m): 0,2032Tube sheet length (m): 0.2032

HAUPTWÄRMETAUSCHERMAIN HEAT EXCHANGER

Platten-und-Rippen-Wärmetauscher mit Oberflächenerweiterungsrippen. Zwei Durchlaßeinheiten in Gegenstromanordnung.Plate and fin heat exchanger with surface expansion fins. Two pass units in counterflow arrangement.

Leistung, Strom 1: 4,14 kg/s bei 3448000 Pa von 20ºC bis -5ºC.Power, current 1: 4.14 kg/s at 3448000 Pa from 20ºC to -5ºC.

Strom 2: 0,86 kg/s bei 3239000 Pa von -67ºC bis 1,6ºC.Stream 2: 0.86 kg/s at 3239000 Pa from -67ºC to 1.6ºC.

Nutzleistung: 145 kW, maximal 4,0ºC Warmend- Temperaturdifferenz.Useful power: 145 kW, maximum 4.0ºC warm end temperature difference.

Maximaler Druckverlust: 20700 Pa je Strom.Maximum pressure loss: 20700 Pa per stream.

EXPANSIONSVORRICHTUNGEXPANSION DEVICE

Bremsbelastete Turbo-Expansionsvorrichtung zur Entnahme von 192 kW Leistung.Brake-loaded turbo expansion device for extracting 192 kW of power.

CO2-KOMPRESSORCO2 COMPRESSOR

Von der Expansionsvorrichtung angetriebener einstufiger Kreiselkompressor.Single-stage centrifugal compressor driven by the expander.

Leistung: 3,28 kg/s 95 Prozent CO&sub2; bei 726200 Pa Abgabedruck.Output: 3.28 kg/s 95 percent CO₂ at 726200 Pa discharge pressure.

Eingangszustände: 330960 Pa, -5ºCInput conditions: 330960 Pa, -5ºC

Minimalstufenwirkungsgrad: 80 Prozent isentropisch.Minimum stage efficiency: 80 percent isentropic.

BEISPIEL 11EXAMPLE 11 NIEDERTEMPERATUR-MEMBRAN-VERFAHRENSENTWICKLUNG:LOW TEMPERATURE MEMBRANE PROCESS DEVELOPMENT: VERGLEICHENDES BEISPIELCOMPARATIVE EXAMPLE

Dieses Beispiel dient dem Vergleich von Ergiebigkeit und Energiekosten bei der Stickstofferzeugung zwischen dem Einsatz eines handelsüblichen Membranwerkstoffs außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und dem Einsatz des Niedertemperaturmembran-Werkstoffs PBO A der vorliegenden Erfindung. Es wurden vier Verfahrenssimulationen unter Verwendung kommerziell verfügbarer Software zur Verfahrenstechniksimulation durchgeführt. Die ersten beiden Verfahren verwenden bei 20ºC betriebene Hohlfaser. Das dritte Verfahren verwendet bei -60ºC betriebene PBO-A Hohlfaser unter Einsatz einer Expansionsvorrichtung im Nicht-Permeatstrom, wie in Beispiel 1 beschrieben. Das vierte Verfahren verwendet bei -60ºC betriebene PBO-A Hohlfaser unter Verwendung eines externen Kühlsystems, um den Produktgasstrom auf die Betriebstemperatur zu kühlen, wie in Beispiel 3 ohne die Hauptwärmetauscher beschrieben. Das letzte Verfahren wird zur Veranschaulichung der Energieeinsparung miteinbezogen, die mit der Benutzung des Hauptwärmetauschers einhergeht.This example is designed to compare the yield and energy costs of nitrogen production between using a commercially available membrane material outside the scope of the present invention and using the low temperature membrane material PBO A of the present invention. Four process simulations were performed using commercially available process engineering simulation software. The first two processes use hollow fiber operated at 20°C. The third process uses PBO-A hollow fiber operated at -60°C using an expander in the non-permeate stream as described in Example 1. The fourth process uses PBO-A hollow fiber operated at -60°C using an external cooling system to cool the product gas stream to operating temperature as described in Example 3 without the main heat exchangers. The last procedure is included to illustrate the energy savings associated with the use of the main heat exchanger.

Die Berechnungen wurden mit einer Membranvorrichtung durchgeführt, welche 1400000 Fasern mit einer Wirklänge von 1,5748 Metern (m) und einer Rohrbodendicke von 0,2032 m aufweist. Die Fasern werden angenommen, einen Außendurchmesser von 1,35 · 10&supmin;&sup9; m, einen Innendurchmesser von 9,5 · 10&supmin;&sup5; m und einen inneren Trennbereich mit einer Dicke von 740 Angstrom zu besitzen. Die Leistungscharakteristiken der zum Vergleich eingesetzten handelsüblichen Membran waren ein Sauerstoff/Stickstoff-Trennfaktor von 7,4 und eine Sauerstoff- Permeabilität von 0,85. Das gewünschte Gasprodukt wurde spezifiziert, bei einem Druck von 125 psig (965 kPa) vorzuliegen und nicht mehr als 1,0 Prozent Sauerstoff zu enthalten. Tabelle 11 führt die Prozeßrückgewinnung, die Ergiebigkeit jedes Membranmoduls und die Energiekosten zur Herstellung einer bestimmten Produktmenge auf. Diese Tabelle veranschaulicht, daß ein Modul, das PBO-A-Membranen enthält, signifikant ergiebiger ist als ein Modul, das die handelsüblichen Membranen außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfingung enthält, und daß das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren Stickstoff bei bedeutend niedrigeren Energiekosten erzeugt.The calculations were performed on a membrane device containing 1,400,000 fibers with an effective length of 1.5748 meters (m) and a tubesheet thickness of 0.2032 m. The fibers are assumed to have an outside diameter of 1.35 x 10-9 m, an inside diameter of 9.5 x 10-5 m, and an internal separation area of 740 Angstroms thickness. The performance characteristics of the commercial membrane used for comparison were an oxygen/nitrogen separation factor of 7.4 and an oxygen permeability of 0.85. The desired gas product was specified to be present at a pressure of 125 psig (965 kPa). and not more than 1.0 percent oxygen. Table 11 lists the process recovery, yield of each membrane module, and energy costs to produce a given amount of product. This table illustrates that a module containing PBO-A membranes is significantly more efficient than a module containing the commercially available membranes outside the scope of the present invention and that the process described in Example 1 produces nitrogen at significantly lower energy costs.

Tabelle 10C: Ausrüstungslistenerläuterung für Tabelle 10ATable 10C: Equipment list explanation for Table 10A

HTEX HauptwärmetauscherHTEX main heat exchanger

MEMBRANE ParallelmembranmoduleMEMBRANE Parallel membrane modules

HLEAK Wärmeverlust-SimulationHLEAK heat loss simulation

EXPAND ExpansionsvorrichtungEXPAND expansion device

COMPRESS Haupt-Luftkompressor TABELLE 10D ZUSAMMENFASSUNG DER KOHLENDIOXID/METHAN-MEMBRAN-VERFAHREN TABELLE 11 Vergleich der Membranverfahren COMPRESS Main Air Compressor TABLE 10D SUMMARY OF CARBON DIOXIDE/METHANE MEMBRANE METHODS TABLE 11 Comparison of membrane processes

ALLGEMEINES HERSTELLUNGSVERFAHREN VON MEMBRANPROBESTÜCKEN UND AUSWERTUNG IN BEISPIELEN 12-22GENERAL PROCEDURE FOR PREPARING MEMBRANE SAMPLE PIECES AND EVALUATION IN EXAMPLES 12-22

Filme für Transportversuche wurden generell durch Herstellen einer Lösung aus etwa 1 bis etwa 10 Prozent eines Polymers unter Verwendung des für jedes Polymer angezeigten Lösungsmittels, wobei die Lösung unter Verwendung eines 5-Mikrometer- Filters gefiltert wird, und Gießen der Lösung auf eine saubere Glasplatte hergestellt. Es wurde durch teilweises Bedecken der Platte mit einem Armbanduhrglas, welches einige Millimeter über der Oberfläche der Lösung gehalten wurde, ermöglicht, daß das Lösungsmittel bei einer langsamen Geschwindigkeit verdunstet. Nachdem das Lösungsmittel bis zur Trockenheit verdunstet war, wurden die Filme von der Glasplatte entfernt. Das restliche Lösungsmittel wurde durch Legen des Films in einen Vakuumofen bei Temperaturen geringfügig unterhalb der Erweichungstemperatur des Films (typischerweise 160ºC für Polycarbonate und 300ºC für die PBO-Materialien) für mindestens 24 Stunden entfernt.Films for transport tests were generally prepared by preparing a solution of about 1 to about 10 percent of a polymer using the solvent indicated for each polymer, filtering the solution using a 5 micron filter, and pouring the solution onto a clean glass plate. The solvent was allowed to evaporate at a slow rate by partially covering the plate with a watch glass held a few millimeters above the surface of the solution. After the solvent had evaporated to dryness, the films were removed from the glass plate. The residual solvent was removed by placing the film in a vacuum oven at temperatures slightly below the softening temperature of the film (typically 160°C for polycarbonates and 300°C for the PBO materials) for at least 24 hours.

Aus den getrockneten Filmen wurden kreisförmige Probestücke zum Prüfen geschnitten. Diese Probestücke wiesen unterschiedliche Größen, jedoch generell zwischen 3 Zentimeter (cm) und 6 cm im Durchmesser auf. Die Dicke der Filmproben wurde mittels einer Film-Skalenmeßschraube gemessen. Diese Proben wurden dann in Zellen angebracht, welche abdichtend an dem Film angeordnet waren, um eine Einspeisungs- und Nichtpermeatkammer in Berührung mit der ersten Seite der Membran und eine Permeatkammer in Berührung mit der zweiten Seite der Membran zu erzeugen. Die Einspeisungskammer wurde mit einem fließenden Strom der Einspeisungsgasmischung unter Druck gesetzt, und die Permeatkammer wurde durch das Prüfsystem nahe bei null psi absolut (psia) gehalten. Die Einspeisungskammer wurde in einer derartigen Weise gestaltet, daß gewährleistet war, daß alle Bereiche der Membranproben der gleichen Einspeisungsgasmischungszusammensetzung ausgesetzt wurden.Circular test specimens were cut from the dried films. These specimens varied in size but generally ranged from 3 centimeters (cm) to 6 cm in diameter. The thickness of the film samples was measured using a film micrometer. These samples were then placed in cells which were sealingly attached to the film to create a feed and non-permeate chamber in contact with the first side of the membrane and a permeate chamber in contact with the second side of the membrane. The feed chamber was pressurized with a flowing stream of the feed gas mixture and the permeate chamber was maintained at near zero psi absolute (psia) by the test system. The feed chamber was designed in such a way as to ensure that all Areas of the membrane samples were exposed to the same feed gas mixture composition.

Die Analyse des permeierenden Gasstroms bestand aus der Bestimmung sowohl von Identität als auch Quantität jedes Gases in dem Strom unter Verwendung eines Massenspektrometers. Eine Eichung des Spektrometers wurde während der Experimente durch Einsetzen einer Gasversorgung bekannter Zusammensetzung und Fließgeschwindigkeit für den unbekannten Gasstrom von der Membranzelle periodisch ausgeführt. Der Einspeisungsgasstrom war ein Zweistoffgemisch mit einer der folgenden Zusammensetzungen.Analysis of the permeating gas stream consisted of determining both the identity and quantity of each gas in the stream using a mass spectrometer. Calibration of the spectrometer was performed periodically during the experiments by substituting a gas supply of known composition and flow rate for the unknown gas stream from the membrane cell. The feed gas stream was a binary mixture with one of the following compositions.

Einspeisungsgas Zusammensetzung (Molprozent)Feed gas composition (mole percent)

Sauerstoff 20Oxygen 20

Stickstoff 80Nitrogen 80

Kohlendioxid 5Carbon dioxide 5

Methan 95Methane 95

Helium 5Helium-5

Methan 95Methane 95

Einspeisungsgasdrücke wurden generell bei etwa 20 bis 45 psia (135 bis 305 kPa) mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 25 Kubikzentimeter pro Minute (cm³/min) durch die Einspeisungskammer gehalten. Transporteigenschaftsmessungen wurden in einem breiten Temperaturbereich durch Steuern der Temperatur der Zellenhalterung durch die Zirkulation eines Wärmeübertragungsfluids für Temperaturen zwischen -5ºC und 90ºC ausgeführt. Messungen bei Temperaturen einer Tiefe von bis zu -30ºC erfolgten durch Zirkulieren flüssigen Stickstoffs durch die Spulen in der Zellenhalterung. Messungen bei noch kälteren Temperaturen erfolgten durch Anbringen der Permeationszelle an dem Kühlfinger eines Heliumkühlungskryostaten mit veränderlichem Temperaturbereich und geschlossenem Kreislauf (Janis Corp.) Die Ergebnisse der Gastransportkennzeichnungsmessungen sind durch die Permeabilität des Gases höchster Permeabilität in Einheiten von Barrers ausgedrückt, wobei 1 barrer = 1,0 · 10&supmin;¹&sup0;(cm³ (STP) cm)/(cm² s cmHg) und eine Selektivität α, welche als das Verhältnis des Gases höherer Permeabilität zu dem Gas niedrigerer Permeabilität definiert ist. Die Ergebnisse für die Beispiele sind in den nachfolgenden Tabellen zusammengefaßt.Feed gas pressures were generally maintained at about 20 to 45 psia (135 to 305 kPa) with a flow rate of about 25 cubic centimeters per minute (cc/min) through the feed chamber. Transport property measurements were made over a wide range of temperatures by controlling the temperature of the cell holder by circulating a heat transfer fluid for temperatures between -5ºC and 90ºC. Measurements at temperatures as deep as -30ºC were made by circulating liquid nitrogen through the coils in the cell holder. Measurements at even colder temperatures were made by attaching the permeation cell to the cold finger of a closed-loop variable temperature range helium-cooled cryostat (Janis Corp.) The results of the gas transport characterization measurements are expressed by the permeability of the highest permeability gas in units of Barrers, where 1 barrer = 1.0 x 10-10(cm3 (STP) cm)/(cm2 s cmHg) and a selectivity α which is defined as the ratio of the higher permeability gas to the lower permeability gas. The results for the examples are summarized in the tables below.

Bei jedem Beispiel wurden Membranmerkmale eines Polymerfilms unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren ausgewertet. Daten für Beispiele 12 bis 21 sind jeweils in Tabellen 12A bis 22 angegeben.For each example, membrane characteristics of a polymer film were evaluated using the methods described above. Data for Examples 12 through 21 are given in Tables 12A through 22, respectively.

Bei Beispiel 12 erfolgte ein Schmelzspinnen von Poly-4- Methylpenten (PMP), erhältlich von Mitsui Petrochemical Industries Ltd. als "TPX Grade DX-810", um einen 30 Mikrometer dicken Film zu bilden, welcher als Membran verwendet wurde.In Example 12, poly-4-methylpentene (PMP), available from Mitsui Petrochemical Industries Ltd. as "TPX Grade DX-810", was melt spun to form a 30 micrometer thick film, which was used as a membrane.

Bei Beispiel 13 wurde Tetrachlorhexafluor Bisphenol A Polycarbonat (TCHF BA PC) als Membran ausgewertet. Das TCHF BA PC wurde wie folgt hergestellt. Eine vierhalsige 1,0-Liter- Rundbodenflasche, welche mit einem Thermometer, einem Kondensator, einem Phosgen-/Stickstoff-Einlaß und einem Paddelrührer, welcher an ein Cole-Parmer-Servodyne angeschlossen war, versehen war, wurde mit etwa 500 Kubikzentimeter Methylenchlorid, 47,39 Gramm (0,1 Mol) Tetrachlor Hexafluor Bisphenol A und 23,7 Gramm (0,3 Mol) Pyridin gefüllt. Die resultierende klare Lösung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre zehn Minuten gerührt. Mäßiges Rühren wurde fortgesetzt, und etwa 9, 9 Gramm (0,1 Mol) Phosgen wurden der Reaktionsmischung in brodelnder Weise über eine Zeitspanne von 27 Minuten zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde dann mit Methanol gereinigt, mit verdünnter Salzsäure neutralisiert und ein zweitesmal mit verdünnter Salzsäure gewaschen. Die Lösung wurde dann durch DO- WEX-MSC-1-Kationenaustauschharz (erhältlich von Dow Chemical Company) geleitet, und das Polymer wurde durch Ausfällen unter Verwendung von Hexan isoliert. Das ausgefällte Polymer wurde unter Vakuum bei etwa 120ºC 48 Stunden getrocknet. Es wurde festgestellt, daß das resultierende Polycarbonat eine logarithmische Viskositätszahl von etwa 0,29 dL/g bei 25ºC in Methylenchlorid aufwies. Ein homogener dünner Film wurde aus einer Methylenchloridlösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers enthielt, gegossen.In Example 13, tetrachlorohexafluoro bisphenol A polycarbonate (TCHF BA PC) was evaluated as a membrane. The TCHF BA PC was prepared as follows. A 1.0 liter, four-necked, round-bottomed bottle equipped with a thermometer, condenser, phosgene/nitrogen inlet, and paddle stirrer connected to a Cole-Parmer Servodyne was charged with about 500 cubic centimeters of methylene chloride, 47.39 grams (0.1 mole) of tetrachlorohexafluoro bisphenol A, and 23.7 grams (0.3 mole) of pyridine. The resulting clear solution was stirred under a nitrogen atmosphere for ten minutes. Moderate stirring was continued, and about 9.9 grams (0.1 mole) of phosgene was added to the reaction mixture in a bubbling manner over a period of 27 minutes. The reaction mixture was then purged with methanol, with dilute hydrochloric acid and washed a second time with dilute hydrochloric acid. The solution was then passed through DOWEX-MSC-1 cation exchange resin (available from Dow Chemical Company) and the polymer was isolated by precipitation using hexane. The precipitated polymer was dried under vacuum at about 120°C for 48 hours. The resulting polycarbonate was found to have an inherent viscosity of about 0.29 dL/g at 25°C in methylene chloride. A homogeneous thin film was cast from a methylene chloride solution containing about 10 weight percent of the polymer.

Bei Beispiel 14 wurde Tetrabromhexafluor Bisphenol A Isophthlatester (TBHF BA IE) als Membran ausgewertet. Das TBHF BA IE wurde wie folgt hergestellt. Eine vierhalsige 1,0-Liter- Rundbodenflasche, welche mit einem Thermometer, einem Kondensator, einem Phosgen-/Stickstoff-Einlaß und einem Paddelrührer, welcher an ein Cole-Parmer-Servodyne angeschlossen war, versehen war, wurde mit etwa 500 Kubikzentimeter Methylenchlorid, 41,68 Gramm (0,064 Mol) Tetrabrom Hexafluor Bisphenol A und 19,1 Gramm (0,241 Mol) Pyridin gefüllt. Die resultierende klare Lösung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre zehn Minuten gerührt. Mäßiges Rühren wurde fortgesetzt, und etwa 12,98 Gramm (0,064 Mol) Isophthaloylchlorid wurden der Lösung über eine Periode von 20 Minuten zugegeben. Danach wurde die Reaktionsmischung mit Methanol gereinigt, mit verdünnter Salzsäure neutralisiert und ein zweitesmal mit verdünnter Salzsäure gewaschen. Danach wurde die Lösung durch ein DOWEX-MSC-1- Kationenaustauschharz geleitet, und das Polymer wurde durch Ausfällen unter Verwendung von Hexan isoliert. Das ausgefällte Polymer wurde unter Vakuum bei etwa 120ºC 48 Stunden getrocknet. Es wurde festgestellt, daß das resultierende Polyisophthalat eine logarithmische Viskositätszahl von etwa 0,16 dL/g bei 25ºC in Methylenchlorid aufwies. Ein homogener dünner Film wurde aus einer Methylenchloridlösung gegossen, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers enthielt.In Example 14, tetrabromohexafluoro bisphenol A isophthalate ester (TBHF BA IE) was evaluated as a membrane. The TBHF BA IE was prepared as follows. A 1.0 liter, four-necked, round-bottom bottle equipped with a thermometer, condenser, phosgene/nitrogen inlet, and paddle stirrer connected to a Cole-Parmer servodyne was charged with about 500 cubic centimeters of methylene chloride, 41.68 grams (0.064 mole) of tetrabromohexafluoro bisphenol A, and 19.1 grams (0.241 mole) of pyridine. The resulting clear solution was stirred under a nitrogen atmosphere for ten minutes. Moderate stirring was continued, and about 12.98 grams (0.064 mole) of isophthaloyl chloride was added to the solution over a 20 minute period. The reaction mixture was then purified with methanol, neutralized with dilute hydrochloric acid and washed a second time with dilute hydrochloric acid. The solution was then passed through a DOWEX MSC-1 cation exchange resin and the polymer was isolated by precipitation using hexane. The precipitated polymer was dried under vacuum at about 120°C for 48 hours. The resulting polyisophthalate was found to have an inherent viscosity of about 0.16 dL/g at 25°C in methylene chloride. A homogeneous thin Film was cast from a methylene chloride solution containing about 10 weight percent of the polymer.

Bei Beispiel 15 wurde ein Polybenzoaxol mit der Formel PBO A als Membran ausgewertet. Die PBO A wurde wie folgt hergestellt. Eine Mischung von etwa 258 Gramm 81-prozentiger Polyphosphorsäure (PPA) und 10,0 Gramm Diaminoresorcinol Dihydrochlorid (DAR) wurde in einen 500-Milliliter-Harzkessel gegeben. Der Harzkessel war mit einem Stickstoffeinlaß, einem Silikonöl-Wärmebad, einer Edelstahl-Rührwelle und einem Hochdrehmoment-Rührer versehen. Die Mischung wurde bei etwa 110ºC 16 Stunden erwärmt. Zu dieser Zeit wurden etwa 89 Gramm Phosphorpentoxid (P205) und 15,23 Gramm 1,1,3-Trimethyl-3- Phenylindan-4,5'-Dicarbonsäure (PIDA) zugegeben. Die Reaktanten wurden nach dem folgenden Plan erwärmt: etwa 7 Stunden bei 110ºC, 16 Stunden bei 150ºC, 24 Stunden bei 180ºC und 24 Stunden bei 190ºC. Das Rohpolymer wurde durch Ausfällen in Wasser, Vakuumfiltern, Waschen mit heißem Wasser und Methanol und zuletzt Trocknen in einem Vakuumofen isoliert. Das Polymer war in m-Kresol, Trifluor-Essigsäure und Methansulfonsäure löslich. Ein homogener dünner Film wurde aus einer m- Kresollösung, welche etwa 8 Gewichtsprozent des Polymers enthielt, gegossen.In Example 15, a polybenzoaxole having the formula PBO A was evaluated as a membrane. The PBO A was prepared as follows. A mixture of about 258 grams of 81 percent polyphosphoric acid (PPA) and 10.0 grams of diaminoresorcinol dihydrochloride (DAR) was added to a 500 milliliter resin kettle. The resin kettle was equipped with a nitrogen inlet, a silicone oil heat bath, a stainless steel stirrer shaft, and a high torque stirrer. The mixture was heated at about 110°C for 16 hours. At this time, about 89 grams of phosphorus pentoxide (P205) and 15.23 grams of 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4,5'-dicarboxylic acid (PIDA) were added. The reactants were heated according to the following schedule: about 7 hours at 110°C, 16 hours at 150°C, 24 hours at 180°C, and 24 hours at 190°C. The crude polymer was isolated by precipitation in water, vacuum filtering, washing with hot water and methanol, and finally drying in a vacuum oven. The polymer was soluble in m-cresol, trifluoroacetic acid, and methanesulfonic acid. A homogeneous thin film was cast from a m-cresol solution containing about 8 weight percent of the polymer.

Bei Beispiel 16 wurde ein Polyoxazol mit der Formel von PBO B geprüft. Das PBO B wurde wie folgt hergestellt. Eine Mischung von etwa 55 Gramm 81-prozentiger Polyphosphorsäure, 5,33 Gramm 2,2-Bis(3-Amino-4-Hydroxyphenyl)-1,1,1,3,3,3- Hexafluorpropan, 20 Gramm Phosphorpentoxid (P&sub2;O&sub5;) und 3,76 Gramm Diphenylether-4,4-Dicarbonsäure wurden in einen 500-ml- Harzkessel gegeben. Der Harzkessel war mit einem Stickstoffeinlaß, einem Silikonöl-Wärmebad, einer Edelstahl-Rührwelle und einem Hochdrehmoment-Rührer versehen. Die Reaktanten wurden nach dem folgenden Plan erwärmt: etwa 2 Stunden bei 70ºC, 3 Stunden bei 140ºC, 2 Stunden bei 160ºC, 8 Stunden bei 180ºC und 3 Stunden bei 200ºC. Das Rohpolymer wurde durch Ausfällen in Wasser, Waschen mit heißem Wasser und Methanol und zuletzt Trocknen in einem Vakuumofen isoliert. Das Polymer war in m- Kresol, Trifluor-Essigsäure und Methansulfonsäure lösbar. Ein homogener dünner Film wurde aus einer m-Kresollösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers enthielt, gegossen.In Example 16, a polyoxazole having the formula of PBO B was tested. The PBO B was prepared as follows. A mixture of about 55 grams of 81 percent polyphosphoric acid, 5.33 grams of 2,2-bis(3-amino-4-hydroxyphenyl)-1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane, 20 grams of phosphorus pentoxide (P₂O₅), and 3.76 grams of diphenyl ether-4,4-dicarboxylic acid was added to a 500 ml resin kettle. The resin kettle was equipped with a nitrogen inlet, a silicone oil heat bath, a stainless steel stirrer shaft, and a high torque stirrer. The reactants were heated according to the following schedule: about 2 hours at 70°C, 3 hours at 140ºC, 2 hours at 160ºC, 8 hours at 180ºC and 3 hours at 200ºC. The crude polymer was isolated by precipitation in water, washing with hot water and methanol and finally drying in a vacuum oven. The polymer was soluble in m-cresol, trifluoroacetic acid and methanesulfonic acid. A homogeneous thin film was cast from a m-cresol solution containing about 10% by weight of the polymer.

Bei Beispiel 17 wurde Polyphenyloxid (PPO) als Membran untersucht. Das PPO wurde als gewerbliches Polymer von Aldrich Chemical Company erhalten. Ein etwa 25 Mikrometer dicker Film wurde bei etwa 300ºC durch Preßformen ausgebildet.In Example 17, polyphenylene oxide (PPO) was tested as a membrane. The PPO was obtained as a commercial polymer from Aldrich Chemical Company. A film about 25 micrometers thick was formed by compression molding at about 300°C.

Bei Beispiel 18 wurde ein durch die Kondensation von Hexafluor Bisphenol A und Dekafluor Bisphenyl (HFBA/DFBP) gebildetes Polymer als Membran untersucht. Das HFBA/DFBP wurde durch das folgende Verfahren synthetisiert. Hexafluor Bisphenol A, etwa 25,15 Gramm (0,748 Mol), Dekafluor Bisphenyl, etwa 25,00 Gramm (0,0748 Mol), Kaliumcarbonat, etwa 41,37 Gramm (0,299 Mol) und Dimethylazetamid, 275 Milliliter, wurden in eine dreihalsige 500-Milliliter-Rundbodenflasche gegeben, welche mit einem mechanischen Rührer, einem Thermometer und einem Stickstoffeinlaß versehen war. Die Mischung wurde gerührt und auf etwa 60ºC unter einer Stickstoffatmosphäre etwa 12 Stunden gerührt. Danach wurde die Mischung unter Rühren in 6 Liter Wasser gegossen. Der weiße Feststoff, welcher sich bildete, wurde durch Filtrierung isoliert und über Nacht in 3 Liter Wasser gelassen. Danach wurde der Feststoff durch Filtrierung isoliert. Der Feststoff wurde in etwa 400 Milliliter Methylenchlorid aufgelöst, mit Magnesiumsulfat getrocknet, durch einen Filterhilfsstoff gefiltert und mit Rühren in 2 Liter Methanol ausgefällt. Der Feststoff wurde durch Filtrierung isoliert und in einem Vakuumofen bei etwa 30ºC getrocknet, um etwa 36,00 Gramm eines weißen Feststoffs zu ergeben, was eine Ausbeute von 76 Prozent bedeutet. Es wurde bestimmt, daß die logarithmische Viskositätszahl des Materials in Chloroform etwa 1,064 beträgt. Eine Analyse durch Kalorimetrie mit Differentialabtastung (DSC) zeigte eine Glasübergangstemperatur von etwa 180ºC an. Eine Proton-NMR-Analyse des Produkts stimmte mit der Struktur des erwünschten Produkts überein. Eine Membran wurde durch Gießen eines Films aus einer Lösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers in Methylenchlorid enthielt, hergestellt.In Example 18, a polymer formed by the condensation of hexafluoro bisphenol A and decafluoro bisphenyl (HFBA/DFBP) was investigated as a membrane. The HFBA/DFBP was synthesized by the following procedure. Hexafluoro bisphenol A, about 25.15 grams (0.748 mole), decafluoro bisphenyl, about 25.00 grams (0.0748 mole), potassium carbonate, about 41.37 grams (0.299 mole), and dimethylacetamide, 275 milliliters, were added to a 500 milliliter round-bottom three-necked flask equipped with a mechanical stirrer, a thermometer, and a nitrogen inlet. The mixture was stirred and heated to about 60°C under a nitrogen atmosphere for about 12 hours. Afterward, the mixture was poured into 6 liters of water with stirring. The white solid which formed was isolated by filtration and left in 3 liters of water overnight. The solid was then isolated by filtration. The solid was dissolved in about 400 milliliters of methylene chloride, dried with magnesium sulfate, filtered through a filter aid, and precipitated with stirring into 2 liters of methanol. The solid was isolated by filtration and dried in a vacuum oven at about 30°C to give about 36.00 grams of a white solid, yielding of 76 percent. The inherent viscosity of the material in chloroform was determined to be about 1.064. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis indicated a glass transition temperature of about 180°C. Proton NMR analysis of the product was consistent with the structure of the desired product. A membrane was prepared by casting a film from a solution containing about 10 weight percent of the polymer in methylene chloride.

Bei Beispiel 19 wurde ein Indan enthaltendes Polyimid, welches aus der Kondensation von Pyromellitsäuredianhydrid und 1,1,3-Trimethyl-3-Phenylindan-4,5-Diamin (PMDA/PIDA) gewonnen wurde, als Membran ausgewertet. Um das Monomer zu bilden, wurden etwa 100 Gramm (0,308 Mol) 1,1,3-Trimethyl-3-Phenylindan- 4,5'-Dicarbonsäure, erhältlich von Amoco, zu etwa 375 Milliliter konzentrierter Schwefelsäure in einem 4-Liter-Becher hinzugegeben. Etwa 2 500 Milliliter Chloroform wurden in den Becher gegeben, um eine Zwei-Phasen-Mischung zu bilden. Die Mischung wurde bei etwa 40ºC bis 45ºC gerührt. Über eine Periode von etwa 45 Minuten wurde Natriumazid, etwa 48,8 Gramm (0,751 Mol) langsam zugegeben. Die Temperatur wurde während der Zugabe von Natriumazid unter etwa 45ºC gehalten. Danach wurde die Temperatur für etwa eine Stunde auf etwa 55ºC erhöht, und die Mischung wurde daraufhin auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Lösung wurde durch die vorsichtige Zugabe von Natriumhydroxid basisch gemacht, was bewirkte, daß ein Teil des Diamins als Paste ausfiel. Die Paste wurde gesammelt, in Methylenchlorid aufgelöst und mit dem organischen Anteil verbunden. Die organischen Lösungen wurden mit Wasser gewaschen und mit wasserfreiem Kaliumcarbonat getrocknet. Das Lösungsmittel wurde durch Rotationsverdampfung entfernt, und der resultierende Halb-Feststoff wurde aus einer Mischung von Ether/Hexan kristallisiert. Die Monomerproduktausbeute von etwa 52,5 Gramm betrug etwa 64 Prozent. Das Monomerprodukt wies einen Schmelzpunkt von etwa 94ºC bis 95ºC auf. Um das Polymer zu bilden, wurden in eine 100-Milliliter-Rundbodenflasche etwa 2 000 Gramm (7,508 mMol) 5-Amino-1,1,3-Trimethyl-3-(4- Aminophenyl)indan, etwa 1,638 Gramm (7,508 mMol) 1,2,4,5- Benzentetracarbonsäure-Dianhydrid, etwa 0,75 Gramm (5,8 mMol) Isoquinolin und etwa 36 Milliliter m-Kresol gegeben. Die Flasche wurde mit einem Kondensator versehen, mit trockenem Stickstoff besprengt und mit einem Magnetrührstab gerührt, während eine Erhitzung unter Rückfluß für eine Stunde bei etwa 200ºC erfolgte. Die Lösung wurde auf etwa 80ºC abgekühlt, und die viskose Lösung wurde in etwa 200 Milliliter Methanol gegossen. Nach einem Aufbrechen der faserigen Festkörper in einem Mischer wurde der resultierende gelbe Feststoff mit Methanol gewaschen und unter Vakuum bei etwa 100ºC etwa 12 Stunden getrocknet. Eine etwa 5-prozentige Lösung des Indan enthaltenden Polyimids in heißem m-Kresol wurde hergestellt. Die Lösung wurde auf eine saubere Glasplatte unter Verwendung eines 20- mil-Stanzmessers gegossen. Das Lösungsmittel wurde aus dem Film unter einer Stickstoffspülung in einem etwa 100ºC heißen Ofen über eine Periode von etwa drei Stunden entfernt. Die Platte und der Film wurden von dem Ofen entfernt und abkühlen lassen. Der Film wurde von der Platte durch Eintauchen in Wasser entfernt. Der Film wurde unter Vakuum bei etwa 300ºC etwa 30 Minuten getrocknet.In Example 19, an indane-containing polyimide obtained from the condensation of pyromellitic dianhydride and 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4,5-diamine (PMDA/PIDA) was evaluated as a membrane. To form the monomer, about 100 grams (0.308 moles) of 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4,5'-dicarboxylic acid, available from Amoco, was added to about 375 milliliters of concentrated sulfuric acid in a 4-liter beaker. About 2,500 milliliters of chloroform were added to the beaker to form a two-phase mixture. The mixture was stirred at about 40°C to 45°C. Over a period of about 45 minutes, sodium azide, about 48.8 grams (0.751 moles), was slowly added. The temperature was maintained below about 45°C during the addition of sodium azide. Thereafter, the temperature was raised to about 55°C for about one hour, and the mixture was then cooled to room temperature. The solution was basified by the careful addition of sodium hydroxide, which caused some of the diamine to precipitate as a paste. The paste was collected, dissolved in methylene chloride, and combined with the organic portion. The organic solutions were washed with water and dried with anhydrous potassium carbonate. The solvent was removed by rotary evaporation, and the resulting semi-solid was crystallized from an ether/hexane mixture. The monomer product yield of about 52.5 grams was about 64 percent. The monomer product had a melting point of about 94°C to 95°C. To form the polymer, about 2,000 grams (7.508 mmol) of 5-amino-1,1,3-trimethyl-3-(4-aminophenyl)indane, about 1.638 grams (7.508 mmol) of 1,2,4,5-benzenetetracarboxylic acid dianhydride, about 0.75 grams (5.8 mmol) of isoquinoline, and about 36 milliliters of m-cresol were added to a 100 milliliter round-bottom bottle. The bottle was fitted with a condenser, sparged with dry nitrogen, and stirred with a magnetic stir bar while heating to reflux for one hour at about 200°C. The solution was cooled to about 80°C and the viscous solution was poured into about 200 milliliters of methanol. After breaking up the fibrous solids in a blender, the resulting yellow solid was washed with methanol and dried under vacuum at about 100°C for about 12 hours. An about 5 percent solution of the indane-containing polyimide in hot m-cresol was prepared. The solution was poured onto a clean glass plate using a 20-mil die cutter. The solvent was removed from the film under a nitrogen purge in an oven at about 100°C for a period of about three hours. The plate and film were removed from the oven and allowed to cool. The film was removed from the plate by immersion in water. The film was dried under vacuum at about 300°C for about 30 minutes.

Bei Beispiel 20 wurde ein Polymer, welches aus der Kondensation von 1,4-Diaminobenzen-2,5-Dithiol-Dihydrochlorid und 1,1,3-Trimethyl-3-Phenylindan-4',5-Dicarbonsäure (DABT/PIDA) gewonnen wurde, als Membran ausgewertet. DABT/PIDA wurde durch Zugeben von etwa 5,00 Gramm (0,0204 Mol) 1,4-Diaminobenzen- 2,5-Dithiol-Dihydrochlorid, etwa 6,615 Gramm (0,0304 Mol) 1,1,3-Trimethyl-3-Phenylindan-4',5-Dicarbonsäure (PIDA) und etwa 184 Gramm 85-prozentiger Phosphorsäure in einen 1-Liter- Harzkessel gewonnen. Der Behälter wurde kontinuierlich mit Stickstoff besprengt, und ein Luftantrieb-Edelstahlrührer wurde zum Mischen verwendet. Die Reaktionsmischung wurde nach dem folgenden Plan erwärmt: etwa 16 Stunden bei etwa 50ºC, etwa 8 Stunden bei etwa 90ºC und etwa 20 Stunden bei etwa 110ºC. Etwa 8 Gramm Phosphorpentoxid (P&sub2;O&sub5;) wurden zugegeben und die Mischung bei etwa 135ºC etwa 24 Stunden, etwa 150ºC etwa 8 Stunden und zuletzt bei etwa 190ºC etwa 24 Stunden erwärmt. Die extrem viskose Lösung wurde unter Verwendung eines Mischers und 2 Liter Wasser koaguliert, gefiltert, mit Wasser gewaschen, mit Methanol gewaschen und unter Vakuum bei etwa 150ºC getrocknet. Dies ergab etwa 8,5 Gramm eines hellgrünen Polymers mit einer logarithmischen Viskositätszahl von etwa 18 dL/Gramm in Methansulfonsäure/Methansulfonsäure-Anhydrid. Um einen Film aus dem Polymer herzustellen, wurden etwa 0,5 Gramm des Polymers und 12 Gramm m-Kresol in ein kleines Glasfläschchen gegeben. Der Inhalt des Glasfläschchens wurde erwärmt und gerührt, um das Polymer in dem Lösungsmittel aufzulösen. Die viskose braune Lösung wurde durch einen 10-Mikrometer- Teflonfilter druckgefiltert; die Lösung wurde auf eine saubere Glasplatte gegossen und etwa 3 Stunden in einen Ofen mit 50ºC unter einen Stickstoffstrom gelegt. Ein Vakuum wurde bei dem Ofen etwa 2 Stunden angewandt und dann die Temperatur etwa zwei Stunden auf etwa 110ºC erhöht. Die abgekühlte Platte und der abgekühlte Film wurden in eine Schale destillierten Wassers gelegt, um die Entfernung des Films von der Platte zu unterstützen. Der Film wurde etwa 1 Stunde unter Vakuum bei etwa 300ºC getrocknet.In Example 20, a polymer obtained from the condensation of 1,4-diaminobenzene-2,5-dithiol dihydrochloride and 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4',5-dicarboxylic acid (DABT/PIDA) was evaluated as a membrane. DABT/PIDA was prepared by adding about 5.00 grams (0.0204 moles) of 1,4-diaminobenzene-2,5-dithiol dihydrochloride, about 6.615 grams (0.0304 moles) of 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4',5-dicarboxylic acid (PIDA), and about 184 grams of 85% phosphoric acid to a 1 liter resin kettle. The vessel was continuously sparged with nitrogen and an air driven stainless steel stirrer was used for mixing. The reaction mixture was heated according to the following schedule: about 16 hours at about 50°C, about 8 hours at about 90°C, and about 20 hours at about 110°C. About 8 grams of phosphorus pentoxide (P₂O₅) was added and the mixture heated at about 135°C for about 24 hours, about 150°C for about 8 hours, and finally at about 190°C for about 24 hours. The extremely viscous solution was coagulated using a mixer and 2 liters of water, filtered, washed with water, washed with methanol, and dried under vacuum at about 150°C. This yielded about 8.5 grams of a light green polymer having an inherent viscosity of about 18 dL/gram in methanesulfonic acid/methanesulfonic anhydride. To prepare a film from the polymer, about 0.5 grams of the polymer and 12 grams of m-cresol were placed in a small glass vial. The contents of the vial were heated and stirred to dissolve the polymer in the solvent. The viscous brown solution was pressure filtered through a 10 micron Teflon filter; the solution was poured onto a clean glass plate and placed in a 50°C oven under a nitrogen stream for about 3 hours. A vacuum was applied to the oven for about 2 hours and then the temperature was raised to about 110°C for about two hours. The cooled plate and film were placed in a tray of distilled water to aid in the removal of the film from the plate. The film was dried under vacuum at about 300ºC for about 1 hour.

Bei Beispiel 21 wurde 9,9-Bis(3,5-dibrom-4- hydroxyphenyl)fluoren-Polycarbonat (TBF PC) als Membran ausgewertet. Das TBF PC wurde wie folgt hergestellt. Eine dreihalsige 0,5-Liter-Rundbodenflasche, welche mit einem Kondensator, einem Phosgen-/Stickstoff-Einlaß und einem an ein Cole-Parmer- Servodyne angeschlossenen Paddelrührer versehen war, wurde mit etwa 237 Kubikzentimeter Methylenchlorid, 30,80 Gramm (0,046 Mol) 9,9-Bis(3,5-Dibrom-4-Hydroxyphenylfluoren und 10,9 Gramm (0,138 Mol) Pyridin gefüllt. Die resultierende klare Lösung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre gerührt, und etwa 4,6 Gramm (0,046 Mol) Phosgen wurden über eine Periode von etwa 7 Minuten in brodelnder Weise der Reaktionsmischung zugegeben. Eine zusätzliche Menge von etwa 1,0 Gramm (0,010 Mol) Phosgen wurde in brodelnder Weise in über etwa 18 Minuten zugegeben, und die Reaktionsmischung wurde etwa 16 Stunden gerührt. Danach wurde die Reaktionsmischung mit Methanol gereinigt, mit etwa 50 Kubikzentimeter Methylenchlorid verdünnt, zweimal mit verdünnter Salzsäure gewaschen und dann durch DOWEX-MSC-1- Ionenaustauschharz geleitet. Das Polymer wurde durch Zugeben der Methylenchloridlösung des Polymers zu einer Mischung von Hexan/Azeton isoliert. Das ausgefällte Polymer wurde unter Vakuum bei etwa 120ºC etwa 48 Stunden getrocknet. Es wurde festgestellt, daß das resultierende Polycarbonat eine logarithmische Viskositätszahl von etwa 0,48 dL/g bei 25ºC in Methylenchlorid aufwies. Ein homogener dünner Film wurde aus einer Methylenchloridlösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers (gekennzeichnet mit TBF PC Nr. 1 in Tabelle 21) enthielt, gegossen.In Example 21, 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene polycarbonate (TBF PC) was evaluated as the membrane. The TBF PC was prepared as follows. A three-necked 0.5 liter round bottom bottle fitted with a condenser, a phosgene/nitrogen inlet and a Cole-Parmer Servodyne was charged with about 237 cubic centimeters of methylene chloride, 30.80 grams (0.046 moles) of 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenylfluorene, and 10.9 grams (0.138 moles) of pyridine. The resulting clear solution was stirred under a nitrogen atmosphere, and about 4.6 grams (0.046 moles) of phosgene was added to the reaction mixture in a bubbling manner over a period of about 7 minutes. An additional amount of about 1.0 gram (0.010 moles) of phosgene was added in a bubbling manner over about 18 minutes, and the reaction mixture was stirred for about 16 hours. Thereafter, the reaction mixture was purified with methanol, diluted with about 50 cubic centimeters of methylene chloride, washed twice with dilute hydrochloric acid, and then passed through DOWEX MSC-1 ion exchange resin. The polymer was passed through Adding the methylene chloride solution of the polymer to a mixture of hexane/acetone. The precipitated polymer was dried under vacuum at about 120°C for about 48 hours. The resulting polycarbonate was found to have an inherent viscosity of about 0.48 dL/g at 25°C in methylene chloride. A homogeneous thin film was cast from a methylene chloride solution containing about 10 weight percent of the polymer (identified as TBF PC No. 1 in Table 21).

Eine Herstellung von TBF PC in größerem Umfang wurde wie folgt durchgeführt. Eine vierhalsige 2,0-Liter- Rundbodenflasche, welche mit einem Thermometer, einem Kondensator, einem Phosgen-/Stickstoff-Einlaß und einem an ein Cole- Parmer-Servodyne angeschlossenen Paddelrührer versehen war, wurde mit etwa 1,0 Liter Methylenchlorid, 129,95 Gramm (0,194 Mol) 9,9-Bis(3,5-Dibrom-4-Hydroxyphenyl)fluoren und 46,0 Gramm (0,582 Mol) Pyridin gefüllt. Die resultierende klare Lösung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre gerührt, und etwa 20,2 Gramm (0,204 Mol) Phosgen wurden über eine Periode von etwa 36 Minuten in brodelnder Weise der Reaktionsmischung zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde etwa 18 Stunden gerührt, 1,0 Gramm 9,9-Bis(3,5-Dibrom-4-Hydroxyphenyl)fluoren wurde zugegeben, die Reaktionsmischung wurde etwa 50 Minuten gerührt, und etwa 0,1 Gramm Phosgen wurde zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde etwa 30 Minuten gerührt, wurde mit etwa 200 Kubikzentimetern Methylenchlorid verdünnt und dann mit Methanol gereinigt. Die Reaktionsmischung wurde zweimal mit verdünnter Salzsäure gewaschen und danach durch DOWEX-MSC-1-Ionenaustauschharz geleitet. Das Polymer wurde durch Zugeben der Methylenchloridlösung des Polymers zu einer Mischung von Hexan/Azeton isoliert. Das ausgefällte Polymer wurde unter Vakuum bei etwa 120ºC etwa 72 Stunden getrocknet. Es wurde festgestellt, daß das resultierende Polycarbonat eine logarithmische Viskositätszahl von etwa 0,81 dL/g bei 25ºC in Methylenchlorid aufwies. Ein homogener dünner Film wurde aus einer Methylenchloridlösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers (gekennzeichnet mit TBF PC Nr. 2 in Tabelle 21 enthielt, gegossen.A large scale preparation of TBF PC was carried out as follows. A 2.0 liter, four-necked, round bottom bottle equipped with a thermometer, a condenser, a phosgene/nitrogen inlet, and a paddle stirrer connected to a Cole-Parmer Servodyne was charged with about 1.0 liter of methylene chloride, 129.95 grams (0.194 moles) of 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene, and 46.0 grams (0.582 moles) of pyridine. The resulting clear solution was stirred under a nitrogen atmosphere, and about 20.2 grams (0.204 moles) of phosgene was added over a period of about 36 minutes in a bubbling manner to the reaction mixture. The reaction mixture was stirred for about 18 hours, 1.0 gram of 9,9-bis(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene was added, the reaction mixture was stirred for about 50 minutes, and about 0.1 gram of phosgene was added. The reaction mixture was stirred for about 30 minutes, was diluted with about 200 cubic centimeters of methylene chloride and then purified with methanol. The reaction mixture was washed twice with dilute hydrochloric acid and then passed through DOWEX MSC-1 ion exchange resin. The polymer was isolated by adding the methylene chloride solution of the polymer to a mixture of hexane/acetone. The precipitated polymer was dried under vacuum at about 120°C for about 72 hours. The resulting polycarbonate was found to have an inherent viscosity of about 0.81 dL/g at 25°C in methylene chloride. A homogeneous thin film was cast from a methylene chloride solution containing about 10 weight percent of the polymer (identified as TBF PC No. 2 in Table 21).

Bei Beispiel 22 wurde 9,9-Bis(3,5-dichlor-4- Hydroxyphenyl)fluorencarbonat (TCF PC) als Membran ausgewertet. Das TCF PC wurde wie folgt hergestellt. Eine dreihalsige 0,5-Liter-Rundbodenflasche, welche mit einem Kondensator, einem Phosgen-/Stickstoff-Einlaß und einem an ein Cole-Parmer- Servodyne angeschlossenen Paddelrührer wurde mit etwa 150 Kubikzentimeter Methylenchlorid, 19,00 Gramm (0,039 Mol) 9,9- Bis(3,5-Dichlor-4-Hydroxyphenyl)fluoren und 9,25 Gramm (0,117 Mol) Pyridin gefüllt. Die resultierende klare Lösung wurde unter einer Stickstoffatmosphäre gerührt, und etwa 4,0 Gramm (0,040 Mol) Phosgen wurden über eine Periode von etwa 12 Minuten in brodelnder Weise der Reaktionsmischung zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde etwa 1 Stunde gerührt und wurde dann mit Methanol gereinigt. Die Reaktionsmischung wurde zweimal mit verdünnter Salzsäure, danach mit Wasser gewaschen, und da nach durch DOWEX-MSC-1-Ionenaustauschharz geleitet. Das Polymer wurde durch Zugeben der Methylenchloridlösung des Polymers zu einer Mischung von Hexan/Azeton isoliert. Das ausgefällte Polymer wurde unter Vakuum bei etwa 120ºC etwa 48 Stunden getrocknet. Es wurde festgestellt, daß das resultierende Polycarbonat eine logarithmische Viskositätszahl von etwa 0,55 dL/g bei 25ºC in Methylenchlorid aufwies. Ein homogener dünner Film wurde aus einer Methylenchloridlösung, welche etwa 10 Gewichtsprozent des Polymers aufwies, gegossen.In Example 22, 9,9-bis(3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl)fluorenecarbonate (TCF PC) was evaluated as a membrane. The TCF PC was prepared as follows. A three-necked 0.5 liter round bottom bottle equipped with a condenser, a phosgene/nitrogen inlet, and a paddle stirrer connected to a Cole-Parmer Servodyne was charged with about 150 cubic centimeters of methylene chloride, 19.00 grams (0.039 moles) of 9,9-bis(3,5-dichloro-4-hydroxyphenyl)fluorene, and 9.25 grams (0.117 moles) of pyridine. The resulting clear solution was stirred under a nitrogen atmosphere, and about 4.0 grams (0.040 moles) of phosgene was added to the reaction mixture in a bubbling manner over a period of about 12 minutes. The reaction mixture was stirred for about 1 hour and was then purged with methanol. The reaction mixture was washed twice with dilute hydrochloric acid, then with water, and through DOWEX MSC-1 ion exchange resin. The polymer was isolated by adding the methylene chloride solution of the polymer to a mixture of hexane/acetone. The precipitated polymer was dried under vacuum at about 120°C for about 48 hours. The resulting polycarbonate was found to have an inherent viscosity of about 0.55 dL/g at 25°C in methylene chloride. A homogeneous thin film was cast from a methylene chloride solution comprising about 10 weight percent of the polymer.

Die Ergebnisse für jedes Beispiel sind nachfolgend in Tabellen, welche durch die Beispielsnummer gekennzeichnet sind, tabelliert. Obwohl relativ niedrige Transmembrandrücke bei den meisten der Beispiele verwendet wurden, erzeugten Auswertungen bei einem Transmembrandruck von 165 psia (1140 kPa) Ergebnisse ähnlich zu denen bei einem niedrigeren Druck von Sauerstoff/Stickstoff. TABELLE 12A BEISPIEL 12 - PMP TABELLE 13A BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 13A BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 13B BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 13B BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 13C BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 13C BEISPIEL 13 - TCHF-BA-PC TABELLE 14A BEISPIEL 14 - TBHF-BA-IE TABELLE 15A BEISPIEL 15 - PBO-A TABELLE 15B BEISPIEL 15 - PBO-A TABELLE 15B BEISPIEL 15 - PBO-A TABELLE 15C BEISPIEL 15 - PBO-A TABELLE 15C BEISPIEL 15 - PBO-A TABELLE 16A BEISPIEL 16 - PBO-B TABELLE 16B BEISPIEL 16 - PBO-B TABELLE 16B BEISPIEL 16 - PBO-B TABELLE 16C BEISPIEL 16 - PBO-B TABELLE 17A BEISPIEL 17 - PBO TABELLE 18C BEISPIEL 18 - HFBA/DFBP TABELLE 19A BEISPIEL 19 - PMDA/PIDA TABELLE 19B BEISPIEL 19 - PMDA/PIDA TABELLE 19C BEISPIEL 19 - PMDA/PIDA TABELLE 20B BEISPIEL 20 - DABT/PIDA TABELLE 20C BEISPIEL 20 - DABT/PIDA TABELLE 21A BEISPIEL 21 - TBF-PC #1 TABELLE 21A BEISPIEL 21 - TBF-PC #1 TABELLE 21A BETSPIEL 21 - TBF-PC #2 TABELLE 22A BEISPIEL 21 - TBF-PC #2 The results for each example are tabulated below in tables identified by the example number. Although relatively low transmembrane pressures were used in most of the examples, evaluations at a transmembrane pressure of 165 psia (1140 kPa) produced results similar to those at a lower pressure of oxygen/nitrogen. TABLE 12A EXAMPLE 12 - PMP TABLE 13A EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 13A EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 13B EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 13B EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 13C EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 13C EXAMPLE 13 - TCHF-BA-PC TABLE 14A EXAMPLE 14 - TBHF-BA-IE TABLE 15A EXAMPLE 15 - PBO-A TABLE 15B EXAMPLE 15 - PBO-A TABLE 15B EXAMPLE 15 - PBO-A TABLE 15C EXAMPLE 15 - PBO-A TABLE 15C EXAMPLE 15 - PBO-A TABLE 16A EXAMPLE 16 - PBO-B TABLE 16B EXAMPLE 16 - PBO-B TABLE 16B EXAMPLE 16 - PBO-B TABLE 16C EXAMPLE 16 - PBO-B TABLE 17A EXAMPLE 17 - PBO TABLE 18C EXAMPLE 18 - HFBA/DFBP TABLE 19A EXAMPLE 19 - PMDA/PIDA TABLE 19B EXAMPLE 19 - PMDA/PIDA TABLE 19C EXAMPLE 19 - PMDA/PIDA TABLE 20B EXAMPLE 20 - DABT/PIDA TABLE 20C EXAMPLE 20 - DABT/PIDA TABLE 21A EXAMPLE 21 - TBF-PC #1 TABLE 21A EXAMPLE 21 - TBF-PC #1 TABLE 21A SAMPLE 21 - TBF-PC #2 TABLE 22A EXAMPLE 21 - TBF-PC #2

BEISPIEL 23EXAMPLE 23 MISCHGAS-TEMPERATUR- UND -DRUCKEINFLÜSSE BEI TCHF-BA-PCMIXED GAS TEMPERATURE AND PRESSURE INFLUENCES ON TCHF-BA-PC

Die TCHF-BA-PC-Membran aus Beispiel 13 wurde zur Abschätzung der Temperatur- und Druckeinflüsse auf die Leistungsfähigkeit der Membran unter Verwendung Von Mischgas-Einspeisungen benutzt. Die oben beschriebene Vorrichtung wurde zur Bewertung der Membranleistungsfähigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken herangezogen, wobei als Einspeisungsgas ein Gemisch aus 2 Molprozent Wasserstoff und 98 Molprozent Methan, ein Gemisch aus 50 Molprozent Wasserstoff und 50 Molprozent Methan, ein Gemisch aus 2 Molprozent Wasserstoff und 98 Molprozent Ethan und ein Gemisch aus 50 Molprozent CO&sub2; und 50 Molprozent Methan eingesetzt wird. Die Daten sind in den Tabellen 23A-C aufgetragen. Bei den Wasserstoff/Kohlenwasserstoff-Versuchen erreichte die Permeationsrate von Wasserstoff beinahe unmittelbar die Stationärrate im Vergleich zur Permeationsrate der Kohlenwasserstoffgase. Derartiges Verhalten ermöglicht es, eine Abschätzung der Reingas- Permeabilitäten zu machen. In fast allen Fällen ergab die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffgas eine Abnahme der Wasserstoff-Permeabilität verglichen mit den geschätzten Reingas- Werten. Stärker ausgeprägt war dieser Effekt bei niedrigeren Temperaturen, höheren Drücken und/oder bei Kohlenwasserstoffgasen, die besser im Membranwerkstoff löslich waren.The TCHF-BA-PC membrane of Example 13 was used to evaluate the effects of temperature and pressure on membrane performance using mixed gas feeds. The apparatus described above was used to evaluate membrane performance at different temperatures and pressures using a feed gas mixture of 2 mole percent hydrogen and 98 mole percent methane, a mixture of 50 mole percent hydrogen and 50 mole percent methane, a mixture of 2 mole percent hydrogen and 98 mole percent ethane, and a mixture of 50 mole percent CO2 and 50 mole percent methane. The data are plotted in Tables 23A-C. In the hydrogen/hydrocarbon experiments, the permeation rate of hydrogen almost immediately reached the steady-state rate compared to the permeation rate of the hydrocarbon gases. Such behavior allows an estimate of the clean gas permeabilities to be made. In almost all cases, the presence of hydrocarbon gas resulted in a decrease in hydrogen permeability compared to the estimated clean gas values. This effect was more pronounced at lower temperatures, higher pressures and/or for hydrocarbon gases that were more soluble in the membrane material.

Bei den Kohlendioxid/Methan-Versuchen weichte das Kohlendioxid die Membran auf, unter Erzeugung eines Selektivitätsverlustes, der bei niedrigeren Temperaturen und/oder höheren Drücken zunahm. TABELLE 23A1 BEISPIEL 23 - TCHF-BA-PC (Einspeisung = 2 Molprozent H&sub2; und 98 Molprozent CH&sub4;) TABELLE 23A2 BEISPIEL 23 - TCHF-BA-PC (Einspeisung = 50 Molprozent H&sub2; und 50 Molprozent CH&sub4;) TABELLE 23B BEISPIEL 23 - TCHF-BA-PC TABELLE 23C BEISPIEL 23 - TCHF-BA-PC In the carbon dioxide/methane experiments, carbon dioxide softened the membrane, producing a loss of selectivity that increased at lower temperatures and/or higher pressures. TABLE 23A1 EXAMPLE 23 - TCHF-BA-PC (feed = 2 mole percent H₂ and 98 mole percent CH₄) TABLE 23A2 EXAMPLE 23 - TCHF-BA-PC (feed = 50 mole percent H₂ and 50 mole percent CH₄) TABLE 23B EXAMPLE 23 - TCHF-BA-PC TABLE 23C EXAMPLE 23 - TCHF-BA-PC

BEISPIEL 24EXAMPLE 24 MISCHGAS-TEMPERATUR- UND -DRUCKEINFLÜSSE BEI TBF-PCMIXED GAS TEMPERATURE AND PRESSURE INFLUENCES ON TBF-PC

Die TBF-PC-Membranen in Beispiel 21 wurden mit höherem und niedrigerem Einspeisungsdruck bei -42ºC geprüft, um ein Potential für Mischgas-Effekte unter erhöhtem Druck und niedrigen Temperaturen zu bewerten. Es wurde ein Einspeisungsgemisch von 80 Molprozent Stickstoff und 20 Molprozent Sauerstoff eingesetzt. Die Daten sind in Tabelle 24 aufgetragen.The TBF-PC membranes in Example 21 were tested at higher and lower feed pressures at -42ºC to evaluate potential for mixed gas effects under elevated pressure and low temperatures. A feed mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen was used. The data are plotted in Table 24.

Bei Erhöhung des Einspeisungsdrucks von 2,5 auf 157 psi. nahmen die Permeabilitäten von Sauerstoff und Stickstoff um etwa 17 Prozent ab, während die Selektivität im wesentlichen unverändert blieb.When the feed pressure was increased from 2.5 to 157 psi, the permeabilities of oxygen and nitrogen decreased by about 17 percent, while the selectivity remained essentially unchanged.

Einzelgasmessungen der Sauerstoff- und Stickstoff- Permeabilität wurden bei etwa -42ºC unter Einsatz eines Sauerstoff-Einspeisungsdrucks von 20,0 psi. und eines Stickstoff- Einspeisungsdrucks von 124,0 psi. durchgeführt. Die Sauerstoff-Permeabilität betrug 2,08 Barrer, die Stickstoff- Permeabilität betrug 0,130 Barrer. Die Sauerstoff/Stickstoff- Selektivität bei diesen Einzelgasmessungen betrug 16,0. Die Einzelgas-Selektivität ist um etwa 20 Prozent höher als die Mischgas-Selektivität.Single gas oxygen and nitrogen permeability measurements were made at approximately -42ºC using an oxygen feed pressure of 20.0 psi and a nitrogen feed pressure of 124.0 psi. The oxygen permeability was 2.08 Barrers and the nitrogen permeability was 0.130 Barrers. The oxygen/nitrogen selectivity in these single gas measurements was 16.0. The single gas selectivity is approximately 20 percent higher than the mixed gas selectivity.

BEISPIEL 25EXAMPLE 25 GÜTEZIFFERQUALITY NUMBER

Aufgetragen in Tabelle 25 sind die Werte der Güteziffern für Sauerstoff/Stickstoff-, Kohlendioxid/Methan- und Helium/Methan-Trennung, wie sie unter Verwendung der Gleichungen III, IV und V berechnet wurden, wie zuvor hierin festgelegt für Membranen, die mit folgenden Polymeren angefertigt wurden: ein Polybenzoxazol (PBO A), das Kondensationspolymer aus Pyromellitischem Dianhydrid und 1,1,3-Trimethyl-3-phenylindan- 4',5-diamin (PMDA/PIDA), Poly-4-methylpenten-1 (PMP), Tetrachlorhexafluor-bisphenol-A-polycarbonat (TCHF-BA-PC), ein Copolymer aus 50 Prozent Tetrabrombisphenol-A-polycarbonat und 50 Prozent Hexafluor-bisphenol-A (TBBA/HFBA), Polyphenylenoxid (PPO), ein Polybenzoxazol (PBO-B), Tetrabromhexafluorbisphenol-A-polycarbonat (TBHF-BA-PC), das Kondensationspolymer aus Hexafluor-bisphenol-A und Decafluor-bisphenyl (HFBA/DFBP), das Kondensationspolymer aus 1,4-Diaminobenzen- 2,5-dithiol und 1,1,3-Trimethyl-3-phenylindan-4',5- dicarboxylsäure (DABT/PIDA), 9,9-bi(3,5-dibrom-4- hydroxyphenyl)fluoren-polycarbonat (TBF-PC), Tetrabrombisphenol-A-polycarbonat (TBBA-PC), TRYCITE Polystyren (PST), Cellulose-triacetat (CTA) und ungesättigtes Polysulfon (PSF). Die Daten für TBBA-PC, CTA, PST und PSF werden nur zu Vergleichszwecken gezeigt und sind nicht veranschaulichend bezüglich der vorliegenden Erfindung. TABELLE 25 GÜTEZIFFER¹ Plotted in Table 25 are the values of the figures of merit for oxygen/nitrogen, carbon dioxide/methane and helium/methane separation as calculated using Equations III, IV and V as previously defined herein for membranes prepared with the following polymers: a polybenzoxazole (PBO A), the condensation polymer of pyromellitic dianhydride and 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4',5-diamine (PMDA/PIDA), poly-4-methylpentene-1 (PMP), tetrachlorohexafluorobisphenol-A polycarbonate (TCHF-BA-PC), a copolymer of 50 percent tetrabromobisphenol-A polycarbonate and 50 percent hexafluorobisphenol-A (TBBA/HFBA), polyphenylene oxide (PPO), a polybenzoxazole (PBO-B), tetrabromohexafluorobisphenol-A polycarbonate (TBHF-BA-PC), the condensation polymer of Hexafluorobisphenol-A and decafluorobisphenyl (HFBA/DFBP), the condensation polymer of 1,4-diaminobenzene-2,5-dithiol and 1,1,3-trimethyl-3-phenylindane-4',5-dicarboxylic acid (DABT/PIDA), 9,9-bi(3,5-dibromo-4-hydroxyphenyl)fluorene polycarbonate (TBF-PC), tetrabromobisphenol-A polycarbonate (TBBA-PC), TRYCITE polystyrene (PST), cellulose triacetate (CTA) and unsaturated polysulfone (PSF). The data for TBBA-PC, CTA, PST and PSF are shown for comparison purposes only and are not illustrative of the present invention. TABLE 25 QUALITY NUMBER¹

wie mit den Gleichungen III, IV und V bei 30ºC berechnet.as calculated using equations III, IV and V at 30ºC.

BEISPIEL 26EXAMPLE 26 PERMEATIONS-DATENPERMEATION DATA

Die Eigenschaften des ungesättigten Fluoren-polycarbonats (BHPF-PC), gemessen von Paul und Aguilar (Universität von Texas, 14. April 1992) bei 35ºC sind in der Zeile von Tabelle 24 im Abschnitt "nicht-bromiert" aufgetragen. Unsere Messungen sowohl an BHPF-PC als auch an TBBHPF-PC sind in der vierten Zeile aufgetragen. Somit zeigen diese Werte für TBBHPF-PC (bromiert) eine signifikante Erhöhung sowohl der Permeabilität als auch der Selektivität, eher als einen Anstieg der Selektivität und eine Abnahme der Permeabilität, wie in der Literatur beschrieben. TABELLE 24 The properties of the unsaturated fluorene polycarbonate (BHPF-PC) measured by Paul and Aguilar (University of Texas, April 14, 1992) at 35ºC are plotted in the row of Table 24 in the non-brominated section. Our measurements on both BHPF-PC and TBBHPF-PC are plotted in the fourth row. Thus, these values for TBBHPF-PC (brominated) show a significant increase in both permeability and selectivity, rather than an increase in selectivity and a decrease in permeability as described in the literature. TABLE 24

BA-PC = (Bi-phenol-A-polycarbonat)BA-PC = (Bi-phenol A polycarbonate)

BHPF-PC = (Polymer aus TBF-PC oben)BHPF-PC = (polymer from TBF-PC above)

In Anbetracht dieser Faktoren besteht gesteigerter kommerzieller Wert der Transporteigenschaften von TBBHPF-PC (bromiert) bei Umgebungstemperatur, 20ºC und tiefer, wie zum Beispiel bei Temperaturen 1, 2, 3, 4 oder 5ºC über dem Gefrierpunkt, und (2) besteht eine nicht erwartete Steigerung sowohl der O&sub2;- Permeabilität als auch der O&sub2;/N&sub2;-Selektivität infolge Bromierung.Considering these factors, there is increased commercial value in the transport properties of TBBHPF-PC (brominated) at ambient temperature, 20ºC and below, such as at temperatures 1, 2, 3, 4 or 5ºC above freezing, and (2) there is an unexpected increase in both O2 permeability and O2/N2 selectivity due to bromination.

Claims (56)

1. Verfahren zur Trennung von Komponentengasen in einem Gasgemisch, umfassend:1. A process for separating component gases in a gas mixture, comprising: A/ Inkontaktbringen einer ersten Seite einer Gastrennmembran, wobei die Membran eine polymere Trennschicht oder einen polymeren Trennbereich, die/der in einem glasartigen Zustand unter den Bedingungen vorliegt, bei denen die Trennung durchgeführt wird, umfaßt, mit einem Gasgemisch, während eine Differenz im chemischen Potential von der ersten Seite der Membran zu einer zweiten Seite der Membran aufrecht erhalten wird, so daß wenigstens ein erstes Komponentengas des Gasgemisches selektiv zu wenigstens einem zweiten Komponentengas in dem Gasgemisch von der ersten Seite der Membran zu der zweiten Seite der Membran permeiert, wobei dieses Inkontaktbringen bei einer Temperatur von 5ºC oder darunter auftritt, mit der Maßgabe, daß die Permeation bei oder oberhalb des Gefrierpunktes irgendeiner vorhandenen Flüssigkeit auftritt, wobei die Membran so ausgewählt ist, daß bei Verwendung eines Gemisches aus 80 Mol-% Stickstoff und 20 Mol-% Sauerstoff als Einspeisung bei 30ºC mit einem Druck von 205,5 kPa (30 psia) auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 0,133 kPa (1 mm Hg) auf der zweiten Seite der Membran die Permeabilität von Sauerstoff in Barrers weniger als 2000 beträgt und die folgende Beziehung für Sauerstoff/Stickstoff-Selektivität hat:A/ Contacting a first side of a gas separation membrane, the membrane comprising a polymeric separation layer or region which is in a glassy state under the conditions in which the separation is carried out, with a gas mixture while maintaining a difference in chemical potential from the first side of the membrane to a second side of the membrane such that at least a first component gas of the gas mixture selectively permeates to at least a second component gas in the gas mixture from the first side of the membrane to the second side of the membrane, said contacting occurring at a temperature of 5°C or below, provided that the permeation occurs at or above the freezing point of any liquid present, the membrane being selected so that when using a mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen as feed at 30°C at a pressure of 205.5 kPa (30 psia) on the first side of the membrane and a vacuum of less than 0.133 kPa (1 mm Hg) on the second side of the membrane, the permeability of oxygen in Barrers is less than 2000 and has the following relationship for oxygen/nitrogen selectivity: Permeabilität > 2000/(Selektivität)7/2; undPermeability > 2000/(selectivity)7/2; and B/ Gewinnen wenigstens eines des Permeatgases oder des zurück gewiesenen Nicht-Permeatgases, worin diese/dieser die Gastrennung bewerkstellende Schicht/Bereich eine glasartige polymere Zusammensetzung von Material ist, das eine sich wiederholende Einheit der Formel hat: B/ Recovering at least one of the permeate gas or the directed non-permeate gas, wherein said gas separation effecting layer/region is a glassy polymeric composition of material having a repeating unit of the formula: worin U unabhängig aus Chlor oder Brom ausgewählt ist.where U is independently selected from chlorine or bromine. 2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Membran eine asymmetrische Membran, anisotrope Membran oder Verbundmembran ist.2. The method of claim 1, wherein the membrane is an asymmetric membrane, anisotropic membrane or composite membrane. 3. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 oder 2 beschrieben, worin die Membran in Form einer Vielzahl von Hohlfasern vorliegt.3. A method as described in any one of claims 1 or 2, wherein the membrane is in the form of a plurality of hollow fibers. 4. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Gasgemisch in die Bohrungen der Hohlfasern eingeführt wird und das Gas, welches durch die Fasern permeiert ist, im allgemeinen im Gegenstrom zu dem Gas in den Bohrungen der Hohlfasern strömt.4. A method according to claim 3, wherein the gas mixture is introduced into the bores of the hollow fibers and the gas which has permeated through the fibers flows generally countercurrently to the gas in the bores of the hollow fibers. 5. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 oder 2 beschrieben, worin die Membran in Form einer Flachfolie oder eines Filmes vorliegt.5. A method as described in any one of claims 1 or 2, wherein the membrane is in the form of a flat sheet or film. 6. Verfahren wie in Anspruch 3 oder 4 beschrieben, worin die Hohlfasern eine Trennschicht oder einen Trennbereich bei der nahe der inneren Oberfläche der Hohlfasern und einen im allgemeinen porösen Bereich, der sich von der Trennschicht oder dem Trennbereich zu der äußeren Oberfläche der Hohlfasern erstreckt, umfassen.6. A method as described in claim 3 or 4, wherein the hollow fibers form a separation layer or a separation region in the near the inner surface of the hollow fibers and a generally porous region extending from the separation layer or region to the outer surface of the hollow fibers. 7. Verfahren wie in einem der Ansprüche 3 oder 4 beschrieben, worin die Hohlfasern einen allgemein porösen Bereich bei oder nahe der äußeren Oberfläche der Hohlfasern, einen allgemein porösen Bereich bei oder nahe der inneren Oberfläche der Hohlfasern und eine Trennschicht oder einen Trennbereich, die/der im allgemeinen zwischen den zwei porösen Oberflächen angeordnet ist, umfassen.7. A method as described in any one of claims 3 or 4, wherein the hollow fibers comprise a generally porous region at or near the outer surface of the hollow fibers, a generally porous region at or near the inner surface of the hollow fibers, and a separating layer or region located generally between the two porous surfaces. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das erste Komponentengas Sauerstoff ist und das zweite Komponentengas Stickstoff ist.8. A process according to any preceding claim, wherein the first component gas is oxygen and the second component gas is nitrogen. 9. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin das erste Komponentengas Kohlendioxid ist und das zweite Komponentengas leichter Kohlenwasserstoff ist.9. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the first component gas is carbon dioxide and the second component gas is light hydrocarbon. 10. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin das erste Komponentengas Wasserstoff oder Helium ist und das zweite Komponentengas ein leichter Kohlenwasserstoff ist.10. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the first component gas is hydrogen or helium and the second component gas is a light hydrocarbon. 11. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin das erste Komponentengas Ethylen ist und das zweite Komponentengas Ethan ist.11. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the first component gas is ethylene and the second component gas is ethane. 12. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Temperatur der Trennung in dem Bereich von -30ºC bis -5ºC liegt.12. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the temperature of separation is in the range of -30°C to -5°C. 13. Verfahren wie in Anspruch 8 beschrieben, worin die Temperatur der Trennung in dem Bereich von -150ºC bis -5ºC liegt.13. A process as described in claim 8, wherein the temperature of separation is in the range of -150°C to -5°C. 14. Verfahren wie in Anspruch 12 beschrieben, worin die Temperatur der Trennung in dem Bereich von -125ºC bis -25ºC liegt.14. A process as described in claim 12, wherein the temperature of separation is in the range of -125°C to -25°C. 15. Verfahren wie in Anspruch 9 beschrieben, worin die Temperatur der Trennung in dem Bereich von -40ºC bis -5ºC liegt.15. A process as described in claim 9, wherein the temperature of separation is in the range of -40°C to -5°C. 16. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran einen Permselektivitätsindex von wenigstens 0,25 für die Trennung Sauerstoff/Stickstoff hat.16. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a permselectivity index of at least 0.25 for oxygen/nitrogen separation. 17. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung Sauerstoff/Stickstoff von wenigstens 3,0 hat.17. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a figure of merit for the separation oxygen/nitrogen of at least 3.0. 18. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung von Kohlendioxid/Methan von wenigstens 25 hat.18. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a figure of merit for the separation of carbon dioxide/methane of at least 25. 19. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung Helium/- Methan von wenigstens 15 hat.19. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a figure of merit for helium/methane separation of at least 15. 20. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran bei einer Temperatur von wenigstens -5ºC oder weniger eine Selektivität für Sauerstoff/Stickstoff von wenigstens 12 und eine Sauerstoffpermeabilität von wenigstens 1 Barrer aufweist, gemessen unter Verwendung einer Mischung von 80 Mol-% Stickstoff und 20 Mol-% Sauerstoff als Einspeisung mit einem Druck von 205,5 kPa (30 psia) auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 0,133 kPa (1 mm Hg) auf der zweiten Seite der Membran.20. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane is at a temperature of at least -5°C or less has an oxygen/nitrogen selectivity of at least 12 and an oxygen permeability of at least 1 Barrer as measured using a mixture of 80 mole percent nitrogen and 20 mole percent oxygen as feed at a pressure of 205.5 kPa (30 psia) on the first side of the membrane and a vacuum of less than 0.133 kPa (1 mm Hg) on the second side of the membrane. 21. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin das glasartige Polymere einen Einfrierbereich von wenigstens 100ºC aufweist.21. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the glassy polymer has a glass transition temperature of at least 100°C. 22. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung Sauerstoff/Stickstoff von wenigstens 1,0 hat.22. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a figure of merit for the separation oxygen/nitrogen of at least 1.0. 23. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung Kohlendioxid/Methan von wenigstens 20 hat.23. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a figure of merit for the separation carbon dioxide/methane of at least 20. 24. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrieben, worin die Membran bei einer Temperatur von 5ºC oder weniger eine Selektivität für Kohlendioxid/Methan von wenigstens 40 und eine Kohlendioxidpermeabilität von wenigstens 10 Barrer aufweist, gemessen unter Verwendung einer Mischung von 5 Mol-% Kohlendioxid und 95 Mol-% Methan als Einspeisung mit einem Druck von 205,5 kPa (30 psia) auf der ersten Seite der Membran und einem Vakuum von weniger als 0,133 kPa (1 mm Hg) auf der zweiten Seite der Membran.24. A process as described in any one of claims 1 to 7, wherein the membrane has a carbon dioxide/methane selectivity of at least 40 and a carbon dioxide permeability of at least 10 Barrers at a temperature of 5°C or less, as measured using a mixture of 5 mole percent carbon dioxide and 95 mole percent methane as feed with a pressure of 205.5 kPa (30 psia) on the first side of the membrane and a vacuum of less than 0.133 kPa (1 mm Hg) on the second side of the membrane. 25. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beschrie ben, worin die Membran eine Gütezahl für die Trennung Helium/- Methan von wenigstens 5 hat.25. A method as described in any one of claims 1 to 7 wherein the membrane has a figure of merit for the separation of helium/methane of at least 5. 26. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, weiter umfassend die Gewinnung von wenigstens einem zurückgewiesenen Nicht-Permeatgas von der ersten Seite der Membran und wenigstens einem Permeatgas von der zweiten Seite der Membran.26. A process as described in any preceding claim, further comprising recovering at least one rejected non-permeate gas from the first side of the membrane and at least one permeate gas from the second side of the membrane. 27. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, worin die Temperatur des Gasgemisches durch Kühlen des Gasgemisches unter Verwendung wenigstens eines äußeren Kühlsystems, eines Absorptionskühlsystems, einer Expansionsvorrichtung oder der Kühlkapazität des Permeatgases verändert wird.27. A process as described in any preceding claim, wherein the temperature of the gas mixture is changed by cooling the gas mixture using at least one of an external cooling system, an absorption cooling system, an expansion device or the cooling capacity of the permeate gas. 28. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, umfassend die zusätzliche Stufe der Expansion wenigstens eines Teiles entweder des Einspeis-Gasgemisches, des Nicht-Pemeatgases oder des Permeatgases zum Kühlen des Gases.28. A process as described in any preceding claim, comprising the additional step of expanding at least a portion of either the feed gas mixture, the non-permeate gas or the permeate gas to cool the gas. 29. Verfahren wie in Anspruch 27 beschrieben, worin das Gas unter Anwendung eines Turbinenexpanders expandiert und gekühlt wird.29. A process as described in claim 27, wherein the gas is expanded and cooled using a turbine expander. 30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die zusätzliche Stufe des Durchleitens des gekühlten Gases durch eine Einrichtung zum Wärmeaustausch mit dem in die Membran einzuführenden Gasgemisch zum Kühlen des Gasgemisches.30. A method according to any one of the preceding claims, comprising the additional step of passing the cooled gas through a device for exchanging heat with the gas mixture to be introduced into the membrane to cool the gas mixture. 31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die zusätzliche Stufe der Vorbehandlung des Gasgemisches zum im wesentlichen Entfernen von einer oder mehreren Verunreinigungen, welche einen schädlichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit oder die physikalische Integrität der Membran oder von Systemkomponenten haben.31. A method according to any preceding claim, comprising the additional step of pretreating the gas mixture to substantially remove one or more impurities which have a detrimental effect on the performance or physical integrity of the membrane or system components. 32. Verfahren wie in Anspruch 31 beschrieben, worin die Verunreinigungen feste Teilchen oder Flüssigkeitströpfchen größer als 1 Mikron (um), Kohlenwasserstoffe, Glykole, Ölfeldadditive, Tenside, Quecksilber, Öle, Schwefelwasserstoff, Wasserdampf, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Chlorwasserstoff, Chlor, Merkaptane, Schwefelkohlenstoff oder eine Kombination hiervon umfassen.32. A process as described in claim 31, wherein the contaminants comprise solid particles or liquid droplets larger than 1 micron (um), hydrocarbons, glycols, oil field additives, surfactants, mercury, oils, hydrogen sulfide, water vapor, nitrogen oxides, sulfur oxides, hydrogen chloride, chlorine, mercaptans, carbon disulfide, or a combination thereof. 33. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, umfassend die zusätzliche Stufe des Recycelns wenigstens eines von Nicht-Permeatgas oder Permeatgas.33. A process as described in any preceding claim comprising the additional step of recycling at least one of non-permeate gas or permeate gas. 34. Verfahren wie in Anspruch 30 beschrieben, umfassend die zusätzliche Stufe der Verwendung wenigstens eines Teiles entweder des Nicht-Permeatgases oder des Permeatgases zum Spülen oder Regenerieren einer Vorbehandlungsausrüstung.34. A process as described in claim 30 comprising the additional step of using at least a portion of either the non-permeate gas or the permeate gas to purge or regenerate pretreatment equipment. 35. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, betrieben mit zwei oder mehr in Serie oder Kaskade oder einer Kombination hiervon angeordneten Membraneinrichtungen.35. A process as described in any preceding claim operated with two or more membrane devices arranged in series or cascade or a combination thereof. 36. Verfahren wie in Anspruch 35 beschrieben, umfassend die zusätzliche Stufe der Kompression von Gas zwischen den Einrichtungen.36. A method as described in claim 35, comprising the additional step of compressing gas between the devices. 37. Verfahren wie in Anspruch 35 beschrieben, worin die Zusammensetzung der in wenigstens einer Einrichtung eingesetzten Membran von der Zusammensetzung der in wenigstens einer anderen Einrichtung eingesetzten Membran verschieden ist.37. A method as described in claim 35, wherein the composition of the membrane used in at least one device is different from the composition of the membrane used in at least one other device. 38. Verfahren wie in Anspruch 35 beschrieben, worin die Temperatur einer Einrichtung von der Temperatur wenigstens einer anderen Einrichtung verschieden ist.38. A method as described in claim 35, wherein the temperature of one device is different from the temperature of at least one other device. 39. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beschrieben, umfassend die zusätzliche Trennstufe von wenigstens einer von Druckwechseladsorption, Temperaturwechseladsorption, Vakuumwechseladsorption, Fraktionalisierung, Destillation, Rektifikation, chemischer Adsorption, chemischer Reaktion oder Extraktion.39. A process as described in any preceding claim, comprising the additional separation step of at least one of pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, vacuum swing adsorption, fractionalization, distillation, rectification, chemical adsorption, chemical reaction or extraction. 40. Verfahren wie in Anspruch 33 beschrieben, worin das rückgeführte Gas als ein Spülgas auf der zweiten Seite der Membran verwendet wird.40. A method as described in claim 33, wherein the recycled gas is used as a purge gas on the second side of the membrane. 41. Vorrichtung zur Trennung von Komponenten eines Gasgemisches, umfassend:41. Device for separating components of a gas mixture, comprising: eine Einrichtung (127) zur Veränderung der Temperatur des Gasgemisches auf eine Temperatur von 5ºC oder niedriger und bei oder oberhalb des Gefrierpunktes von vorliegender Flüssigkeit, wobei die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur einen Einlaß und einen Auslaß hat;means (127) for changing the temperature of the gas mixture to a temperature of 5ºC or lower and at or above the freezing point of any liquid present, the means for changing the temperature having an inlet and an outlet; wenigstens eine Membraneinrichtung (133), welche bei dieser Temperatur oder weniger betrieben wird und einen Einlaß zum Einführen eines zu trennenden Gasgemisches, eine Membran (134), welche die Membraneinrichtung in eine erste Seite der Nicht-Permeatkammer der Membran und eine zweite Seite der Permeatkammer der Membran unterteilt, einen Auslaß für Nicht- Permeatgas und einen Auslaß für Permeatgas besitzt,at least one membrane device (133) operating at said temperature or less and having an inlet for introducing a gas mixture to be separated, a membrane (134) which divides the membrane device into a first side of the non-permeate chamber of the membrane and a second side of the permeate chamber of the membrane, has an outlet for non-permeate gas and an outlet for permeate gas, eine Einrichtung (130) zum Fördern von Gas von dem Auslaß der Einrichtung (127) zur Veränderung der Temperatur des Gasgemisches zu dem Einlaß der Membraneinrichtung (133), worin die Membran innerhalb der Membraneinrichtung eine solche ist, wie in einem der Ansprüche 1 bis 25 definiert.means (130) for conveying gas from the outlet of the means (127) for changing the temperature of the gas mixture to the inlet of the membrane means (133), wherein the membrane within the membrane means is as defined in any one of claims 1 to 25. 42. Vorrichtung nach Anspruch 41, weiter umfassend Einrichtungen (105) zum Komprimieren, die einen Einlaß und einen Auslaß haben, und Fördereinrichtungen zum Fördern des Gases von dem Auslaß der Kompressionseinrichtung zu dem Einlaß der Veränderungseinrichtung.42. Apparatus according to claim 41, further comprising means (105) for compressing having an inlet and an outlet, and conveying means for conveying the gas from the outlet of the compression means to the inlet of the change means. 43. Vorrichtung zum Trennen der Komponenten eines Gasgemisches nach Anspruch 42, worin diese Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gasgemisches umfaßt:43. Apparatus for separating the components of a gas mixture according to claim 42, wherein said means for changing the temperature of the gas mixture comprises: wenigstens eine Wärmetauschereinrichtung (127), die einen ersten Einlaß und einen ersten Auslaß und einen zweiten Einlaß und einen zweiten Auslaß, eine den ersten Einlaß und den ersten Auslaß verbindende Leitung und eine den zweiten Einlaß und den zweiten Auslaß verbindende Leitung hat, wobei diese ersten und zweiten Leitungen in thermischem Kontakt längs eines größeren Abschnittes ihrer jeweiligen Längen sind,at least one heat exchanger device (127) having a first inlet and a first outlet and a second inlet and a second outlet, a conduit connecting the first inlet and the first outlet and a conduit connecting the second inlet and the second outlet, said first and second conduits being in thermal contact along a major portion of their respective lengths, diese Einrichtungen zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der Gaskompressionseinrichtung (105) zu dem Einlaß dieser Temperaturveränderungseinrichtung für das Gas eine Einrichtung (130) zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der Einrichtung (105) zum Komprimieren des Gases zu dem ersten Einlaß für die Wärmetauschereinrichtung (127) ist,said means for conveying the gas mixture from the outlet of the gas compression device (105) to the inlet of said temperature changing device for the gas Means (130) for conveying the gas mixture from the outlet of the means (105) for compressing the gas to the first inlet for the heat exchanger means (127), diese Einrichtung zum Fördern von Gas von dem Auslaß der Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases zu dem Einlaß der Membraneinrichtung (133) eine Einrichtung (132) zum Fördern von Gas von dem ersten Auslaß der Wärmetauschereinrichtung (127) zu dem Einlaß der Membraneinrichtung (133) ist, und weiter umfassend eine zusätzliche Einrichtung zur Veränderung der Temperatur eines Teiles oder des gesamten Gases, welches entweder aus dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht- Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung (133) austritt, oder einer Kombination hiervon, wobei diese zusätzliche Einrichtung (129) zur Veränderung der Temperatur des Gases einen Einlaß und einen Auslaß hat,said means for conveying gas from the outlet of the means for changing the temperature of the gas to the inlet of the membrane means (133) is means (132) for conveying gas from the first outlet of the heat exchanger means (127) to the inlet of the membrane means (133), and further comprising additional means for changing the temperature of a portion or all of the gas exiting either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means (133), or a combination thereof, said additional means (129) for changing the temperature of the gas having an inlet and an outlet, eine Einrichtung (150) zum Fördern eines Teiles oder des gesamten Gases von entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung (133) oder einer Kombination hiervon zu dem Einlaß dieser zusätzlichen Einrichtung (129) zur Veränderung der Temperatur des Gases, undmeans (150) for conveying a portion or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means (133) or a combination thereof to the inlet of said additional means (129) for varying the temperature of the gas, and eine Einrichtung (15) zum Fördern von Gas von dem Auslaß dieser zusätzlichen Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases zu dem zweiten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (127).means (15) for conveying gas from the outlet of said additional means for changing the temperature of the gas to the second inlet of the heat exchanger means (127). 44. Vorrichtung zum Trennen von Komponenten eines Gasgemisches nach Anspruch 42, worin diese Einrichtung zum Verändern der Temperatur des Gasgemisches umfaßt:44. Apparatus for separating components of a gas mixture according to claim 42, wherein said means for changing the temperature of the gas mixture comprises: wenigstens eine Wärmetauschereinrichtung (127), die einen ersten Einlaß und einen ersten Auslaß und einen zweiten Einlaß und einen zweiten Auslaß, eine den ersten Einlaß und den er sten Auslaß verbindende Leitung und eine den zweiten Einlaß und den zweiten Auslaß verbindende Leitung hat, wobei diese ersten und zweiten Leitungen in thermischem Kontakt längs eines größeren Abschnittes ihrer jeweiligen Längen sind,at least one heat exchanger device (127) having a first inlet and a first outlet and a second inlet and a second outlet, a first inlet and the first outlet and a line connecting the second inlet and the second outlet, these first and second lines being in thermal contact along a major portion of their respective lengths, diese Einrichtungen zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der Gaskompressionseinrichtung (105) zu dem Einlaß dieser Temperaturveränderungseinrichtung für das Gas eine Einrichtung (130) zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der Einrichtung (105) zum Komprimieren des Gases zu dem ersten Einlaß für die Wärmetauschereinrichtung (127) ist, und weiter umfassendsaid means for conveying the gas mixture from the outlet of the gas compression device (105) to the inlet of said temperature changing device for the gas is a device (130) for conveying the gas mixture from the outlet of the device (105) for compressing the gas to the first inlet for the heat exchanger device (127), and further comprising eine zusätzliche Einrichtung (128) zum Verändern der Temperatur eines Teiles oder des gesamten Gases, wobei diese zusätzliche Einrichtung zum Verändern der Temperatur des Gases einen Einlaß und einen Auslaß hat,an additional device (128) for changing the temperature of a part or all of the gas, this additional device for changing the temperature of the gas having an inlet and an outlet, eine Einrichtung (131) zum Fördern des Gasgemisches von dem ersten Auslaß dieser Wärmetauschereinrichtung (127) zu dem Einlaß dieser zusätzlichen Einrichtung (128) zur Veränderung der Temperatur des Gases,a device (131) for conveying the gas mixture from the first outlet of this heat exchanger device (127) to the inlet of this additional device (128) for changing the temperature of the gas, eine Einrichtung (132) zum Fördern von Gas von dem Auslaß dieser zusätzlichen Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases zu dem Einlaß der Membraneinrichtung (133), undmeans (132) for conveying gas from the outlet of this additional means for changing the temperature of the gas to the inlet of the membrane means (133), and eine Einrichtung (150-152) zum Fördern eines Teiles oder des gesamten Gases aus entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung oder einer Kombination hiervon zu dem zweiten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (127).means (150-152) for conveying a portion or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means or a combination thereof to the second inlet of the heat exchanger means (127). 45. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, worin die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases ein externes Kühlsystem ist.45. Apparatus as described in any one of claims 41 to 43, wherein the means for changing the temperature of the gas is an external cooling system. 46. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, worin die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases ein Adsorptionskühlsystem ist.46. Apparatus as described in any one of claims 41 to 43, wherein the means for changing the temperature of the gas is an adsorption cooling system. 47. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, worin die Einrichtung zur Veränderung der Temperatur des Gases eine Expansionseinrichtung ist.47. Apparatus as described in any one of claims 41 to 43, wherein the means for changing the temperature of the gas is an expansion device. 48. . Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, weiter umfassend:48. . Device as described in any one of claims 41 to 43, further comprising: eine Einrichtung (126) zur Vorbehandlung des Gasgemisches zur im wesentlichen Entfernung von Verunreinigungen, die einen schädlichen auf die physikalische Integrität und/oder die Leistungsfähigkeit der Membran haben, wobei die Einrichtung zur Vorbehandlung des Gases einen Einlaß und einen Auslaß hat, unda device (126) for pretreating the gas mixture to substantially remove contaminants that have a detrimental effect on the physical integrity and/or the performance of the membrane, the device for pretreating the gas having an inlet and an outlet, and eine Einrichtung (130) zum Fördern des vorbehandelten Gases zu dem Einlaß der Einrichtung (105) zum Komprimieren des Gases, dem Einlaß zur Veränderung der Temperatur des Gases, dem ersten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (127) oder dem Einlaß der Membraneinrichtung (133).a device (130) for conveying the pretreated gas to the inlet of the device (105) for compressing the gas, the inlet for changing the temperature of the gas, the first inlet of the heat exchanger device (127) or the inlet of the membrane device (133). 49. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, worin zwei oder mehr Membraneinrichtungen (733, 735) in Reihen- oder Kaskadenanordnung oder einer Kombination hiervon angeordnet sind.49. Apparatus as described in any one of claims 41 to 43, wherein two or more membrane devices (733, 735) are arranged in series or cascade arrangement or a combination thereof. 50. Vorrichtung wie in Anspruch 49 beschrieben, worin die Zusammensetzung der in wenigstens einer Stufe verwendeten Membran von der Zusammensetzung der in wenigstens einer anderen Stufe verwendeten Membran verschieden ist.50. Apparatus as described in claim 49, wherein the composition of the membrane used in at least one stage is different from the composition of the membrane used in at least one other stage. 51. Vorrichtung wie in einem der Ansprüche 41 bis 43 beschrieben, zusätzlich umfassend:51. Device as described in any one of claims 41 to 43, additionally comprising: eine Einrichtung zum Recyceln eines Teiles oder des gesamten Gases aus entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung oder einer Kombination hiervon zu dem Einlaß der Einrichtung zum Komprimieren des Gases, dem Einlaß zur Veränderung der Temperatur des Gases, dem ersten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung oder dem Einlaß der Membraneinrichtung.means for recycling a portion or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means or a combination thereof to the inlet of the means for compressing the gas, the inlet for changing the temperature of the gas, the first inlet of the heat exchanger means or the inlet of the membrane means. 52. Vorrichtung wie in Anspruch 51 beschrieben, worin die Membraneinrichtung einen Einlaß für Spülgas hat und die Vorrichtung zusätzlich umfaßt:52. Apparatus as described in claim 51, wherein the membrane means has an inlet for purge gas and the apparatus additionally comprises: eine Einrichtung zum Fördern eines Teiles oder des gesamten Gases aus entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung oder einer Kombination hiervon zu dem Einlaß für Spülgas der Membraneinrichtung.means for conveying a portion or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means, or a combination thereof, to the purge gas inlet of the membrane means. 53. Vorrichtung wie in Anspruch 49 beschrieben, welche zusätzlich umfaßt:53. Apparatus as described in claim 49, which additionally comprises: eine Einrichtung zum Komprimieren eines Teiles oder des gesamten Gases aus entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung oder einer Kombination hiervon.means for compressing a portion or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane means or a combination thereof. 54. Vorrichtung zur Trennung von Komponenten eines Gasgemisches nach Anspruch 41, weiter umfassend:54. A device for separating components of a gas mixture according to claim 41, further comprising: eine Einrichtung zum Gewinnen der Kompressionsenergie eines Teiles oder des gesamten Gases aus entweder dem Permeatgasauslaß oder dem Nicht-Permeatgasauslaß der Membraneinrichtung oder einer Kombination hiervon, wobei die rückgewonnene Energie zum Antrieb einer Kompressionseinrichtung oder zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet wird.a device for recovering the compression energy of some or all of the gas from either the permeate gas outlet or the non-permeate gas outlet of the membrane device or a combination thereof, the recovered energy being used to drive a compression device or to generate electrical power. 55. Vorrichtung zur Durchführung des Trennverfahrens von Anspruch 1, umfassend:55. Apparatus for carrying out the separation process of claim 1, comprising: eine Einrichtung zum Komprimieren des Gasgemisches auf einen gewünschten Druck, wobei die Einrichtung zum Komprimieren des Gases einen Einlaß und einen Auslaß hat,a device for compressing the gas mixture to a desired pressure, the device for compressing the gas having an inlet and an outlet, eine Wärmetauschereinrichtung (1408), die einen ersten Einlaß und einen ersten Auslaß und einen zweiten Einlaß und einen zweiten Auslaß, eine den ersten Einlaß und Auslaß verbindende Leitung und eine den zweiten Einlaß und Auslaß verbindende Leitung hat, wobei diese ersten und zweiten Leitungen in thermischem Kontakt längs eines größeren Abschnittes ihrer jeweiligen Längen sind,a heat exchanger device (1408) having a first inlet and a first outlet and a second inlet and a second outlet, a conduit connecting the first inlet and outlet and a conduit connecting the second inlet and outlet, said first and second conduits being in thermal contact along a major portion of their respective lengths, eine Einrichtung (1406) zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der Einrichtung zum Komprimieren von Gas zu dem ersten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung,means (1406) for conveying the gas mixture from the outlet of the gas compression means to the first inlet of the heat exchanger means, wenigstens eine Membraneinrichtung (1412), die einen Einlaß zum Einführen eines zu trennenden Gasgemisches, eine Gastrennmembran, welche die Membraneinrichtung in eine Permeatkammer und eine Nicht-Permeatkammer unterteilt, wobei diese Membran wie in Anspruch 1 angegeben ist, einen Permeatgasauslaß und einen Nicht-Permeatgasauslaß hat,at least one membrane device (1412) having an inlet for introducing a gas mixture to be separated, a gas separation membrane which divides the membrane device into a permeate chamber and a non-permeate chamber, said membrane being as specified in claim 1, a permeate gas outlet and a non-permeate gas outlet, eine Einrichtung (1410) zum Fördern von Gas von dem ersten Auslaß der Wärmetauschereinrichtung zu dem Einlaß der Membraneinrichtung,means (1410) for conveying gas from the first outlet of the heat exchanger means to the inlet of the membrane means, einen Turbinenexpander (1424) zum Expandieren eines Teiles oder des gesamten Permeatgases oder Nicht-Permeatgases, das aus der Membraneinrichtung austritt, unter Kühlen des Gases, wobei der Turbinenexpander einen Einlaß und einen Auslaß hat und so angeschlossen ist, daß wenigstens teilweise eine zweite Einrichtung zum Komprimieren von Gas angetrieben wird,a turbine expander (1424) for expanding a part or all of the permeate gas or non-permeate gas exiting the membrane means while cooling the gas, the turbine expander having an inlet and an outlet and being connected to at least partially drive a second means for compressing gas, eine zweite Einrichtung (1416) zum Komprimieren von Gas, die einen Einlaß und einen Auslaß hat,a second device (1416) for compressing gas, having an inlet and an outlet, eine Einrichtung (1422) zum Fördern eines Teiles oder des gesamten Permeatgases oder Nicht-Permeatgases von der Membraneinrichtung zu dem Einlaß des Turbinenexpanders,means (1422) for conveying a portion or all of the permeate gas or non-permeate gas from the membrane means to the inlet of the turbine expander, eine Einrichtung (1414) zum Fördern eines Teiles oder des gesamten Permeatgases oder Nicht-Permeatgases von der Membraneinrichtung zu dem Einlaß der zweiten Einrichtung (1416) zum Komprimieren von Gas, undmeans (1414) for conveying a portion or all of the permeate gas or non-permeate gas from the membrane means to the inlet of the second means (1416) for compressing gas, and eine Einrichtung zum Fördern von Gas von dem Auslaß des Turbinenexpanders (1424) zu dem zweiten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (1408).means for conveying gas from the outlet of the turbine expander (1424) to the second inlet of the heat exchanger means (1408). 56. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens von Anspruch 1, umfassend:56. Apparatus for carrying out the method of claim 1, comprising: eine erste Einrichtung (1504, 1508) zum Komprimieren des Gasgemisches auf einen gewünschten Druck, wobei die erste Einrichtung zum Komprimieren des Gases einen Einlaß und einen Auslaß und wahlweise mehr als eine Stufe mit Zwischeneinlässen hat,a first device (1504, 1508) for compressing the gas mixture to a desired pressure, the first device for compressing the gas having an inlet and an outlet and optionally more than one stage with intermediate inlets, eine Wärmetauschereinrichtung (1512), die einen ersten Einlaß und ersten Auslaß, einen zweiten Einlaß und zweiten Auslaß und einen dritten Einlaß und dritten Auslaß, eine den ersten Einlaß und Auslaß verbindende Leitung, eine den zweiten Einlaß und Auslaß verbindende Leitung und eine den dritten Einlaß und Auslaß verbindende Leitung hat, wobei diese ersten, zweiten und dritten Leitungen in thermischem Kontakt längs eines größeren Abschnittes ihrer jeweiligen Längen sind,a heat exchanger device (1512) having a first inlet and first outlet, a second inlet and second outlet, and a third inlet and third outlet, a line connecting the first inlet and outlet, a line connecting the second inlet and outlet, and a line connecting the third inlet and outlet, said first, second and third lines are in thermal contact along a major portion of their respective lengths, eine Einrichtung (1510) zum Fördern des Gasgemisches von dem Auslaß der ersten Einrichtung zum Komprimieren von Gas zu dem ersten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (1512),a device (1510) for conveying the gas mixture from the outlet of the first device for compressing gas to the first inlet of the heat exchanger device (1512), eine erste Membraneinrichtung (1516), die einen Einlaß zum Einführen eines zu trennenden Gasgemisches, wenigstens eine Gastrennmembran, welche die Membraneinrichtung in eine Permeatkammer und wenigstens eine Nicht-Permeatkammer unterteilt, wobei diese Gastrennmembran wie in Anspruch 1 angegeben ist, einen Permeatgasauslaß und einen Nicht-Permeatgasauslaß hat,a first membrane device (1516) having an inlet for introducing a gas mixture to be separated, at least one gas separation membrane which divides the membrane device into a permeate chamber and at least one non-permeate chamber, wherein this gas separation membrane is as specified in claim 1, a permeate gas outlet and a non-permeate gas outlet, eine Einrichtung (1514) zum Fördern von Gas, welche den ersten Auslaß der Wärmetauschereinrichtung (1512) zu dem Einlaß der ersten Membraneinrichtung (1516) verbindet,a device (1514) for conveying gas which connects the first outlet of the heat exchanger device (1512) to the inlet of the first membrane device (1516), eine zweite Membraneinrichtung (1520), die einen Einlaß zum Einführen von Gas, wenigstens eine Membran, welche die Membraneinrichtung in eine wenigstens eine Permeatkammer und wenigstens eine Nicht-Permeatkammer unterteilt, einen Permeatgasauslaß und einen Nicht-Permeatgasauslaß hat,a second membrane device (1520) having an inlet for introducing gas, at least one membrane which divides the membrane device into at least one permeate chamber and at least one non-permeate chamber, a permeate gas outlet and a non-permeate gas outlet, eine Einrichtung (1518) zum Fördern von Gas von der ersten Membraneinrichtung (1516) zu der zweiten Membraneinrichtung (1520),means (1518) for conveying gas from the first membrane means (1516) to the second membrane means (1520), einen Turbinenexpander (1534) zum Expandieren eines Teiles oder des gesamten Gases, das aus dem Nicht-Permeatgasauslaß der ersten Membraneinrichtung (1516) austritt, unter Kühlen des Gases, wobei der Turbinenexpander einen Einlaß und einen Auslaß hat und so angeschlossen ist, daß er wenigstens teilweise eine zweite Einrichtung zum Komprimieren von Gas antreibt,a turbine expander (1534) for expanding a portion or all of the gas exiting the non-permeate gas outlet of the first membrane means (1516) while cooling the gas, the turbine expander having an inlet and an outlet and being connected to at least partially drive a second means for compressing gas, eine zweite Einrichtung (1524) zum Komprimieren von Gas, die einen Einlaß und einen Auslaß hat,a second device (1524) for compressing gas, having an inlet and an outlet, eine Einrichtung (1522) zum Fördern von Gas aus dem Nicht- Permeatauslaß der ersten Membraneinrichtung (1516) zu dem Einlaß des Turbinenexpanders (1534),means (1522) for conveying gas from the non-permeate outlet of the first membrane means (1516) to the inlet of the turbine expander (1534), eine Einrichtung (1536) zum Fördern von Gas aus dem Auslaß des Turbinenexpanders (1534) zu dem zweiten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (1512),means (1536) for conveying gas from the outlet of the turbine expander (1534) to the second inlet of the heat exchanger means (1512), eine Einrichtung (1540) zum Fördern von Gas aus dem zweiten Auslaß der Wärmetauschereinrichtung (1512) zu entweder dem Einlaß der ersten Einrichtung (1504, 1508) zum Komprimieren von Gas oder einem Zwischeneinlaß für eine solche Einrichtung, undmeans (1540) for conveying gas from the second outlet of the heat exchanger means (1512) to either the inlet of the first means (1504, 1508) for compressing gas or an intermediate inlet for such a means, and eine Einrichtung (1530) zum Fördern von Gas von dem Nicht- Permeatauslaß der zweiten Membraneinrichtung (1520) zu dem dritten Einlaß der Wärmetauschereinrichtung (1512).means (1530) for conveying gas from the non-permeate outlet of the second membrane means (1520) to the third inlet of the heat exchanger means (1512).
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